Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Методы и средства определения влагосодержания светлых нефтепродуктов 12
1.1. Классификация анализаторов влагосодержания светлых нефтепродуктов 12
1.2. Обзор методов определения влагосодержания светлых нефтепродуктов 14
1.3. Анализ средств для определения влагосодержания светлых нефтепродуктов 20
1.3.1. Лабораторные анализаторы влагосодержания 20
1.3.2. Оперативные и поточные анализаторы влагосодержания 21
1.4. Анализ целесообразности применения волоконно-оптических преобразователей для определения влагосодержания 23
1.5. Устройство и принцип действия волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания 27
1.6. Выводы 30
Глава 2. Математическая модель волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов 31
2.1. Обобщенная математическая модель волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания 31
2.2. Обоснование выбора источника излучения волоконно-оптического преобразователя и особенности ввода излучения в световод 34
2.3. Обоснование выбора фотоприемника волоконно-оптического преобразователя и особенности приема излучения из световода 38
2.4. Обоснование выбора световодов и особенности расчета светопропускания передающим и приемным световодами 42
2.5. Анализ оптических свойств дисперсных систем 49
2.6. Построение функции преобразования волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания для различных типов смесей 52
2.6.1. Коллоидная смесь 52
2.6.2. Мелкодисперсная эмульсия 54
2.6.3. Грубодисперсная эмульсия 56
2.6.4. Факторы, влияющие на функцию преобразования 75
2.7. Выводы 77
Глава 3. Моделирование и экспериментальное исследование волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов 78
3.1. Моделирование волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов 78
3.1.1 Коллоидная смесь 79
3.1.2 Эмульсия 80
3.2. Разработка программы и методики эксперимента 81
3.2.1. Разработка экспериментального стенда 82
3.2.2. Разработка методики эксперимента 85
3.3. Экспериментальное исследование 87
3.4. Источники погрешности волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов 89
3.5. Выводы 93
Глава 4. Разработка прототипа устройства контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов 94
4.1. Разработка конструкции волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов 94
4.1.1. Основные пути повышения эффективности контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов 94
4.1.2. Методика расчета расстояний между торцами приемного и передающего световодов 99
4.1.3. Метод снижения влияния дисперсности частиц воды 100
4.1.4. Рекомендации для проектирования конструкции волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов
4.2. Структурная схема и принцип действия анализатора влагосодержания светлых нефтепродуктов на основе волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания 104
4.3. Разработка интеллектуального модуля обработки данных. 105
4.3.1. Анализ способов компенсации температурной и временной нестабильности характеристик светодиодов и фотодиодов 106
4.3.2. Разработка алгоритма функционирования интеллектуального модуля обработки данных 110
4.3.3. Условия эксплуатации и технические требования к устройству контроля влагосодержания 117
4.3.4. Разработка функциональной и принципиальной схем интеллектуального модуля обработки данных 119
4.3.5. Разработка рекомендаций для проектирования конструкции интеллектуального модуля обработки данных 127
4.3.5. Технические характеристики прототипа анализатора влагосодержания светлых нефтепродуктов 131
4.3.6. Рекомендации и методика эксплуатации анализатора влагосодержания 132
4.4. Выводы 133
Заключение 135
Список литературы 139
Приложение
- Анализ средств для определения влагосодержания светлых нефтепродуктов
- Обоснование выбора источника излучения волоконно-оптического преобразователя и особенности ввода излучения в световод
- Источники погрешности волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов
- Структурная схема и принцип действия анализатора влагосодержания светлых нефтепродуктов на основе волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания
Введение к работе
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
7 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
8 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:
Провести анализ существующих методов и средств контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов.
Разработать метод определения влагосодержания светлых нефтепродуктов на основе волоконно-оптического преобразователя.
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.
Разработать алгоритм функционирования интеллектуального модуля обработки данных, полученных от волоконно-оптического преобразователя.
Разработать экспериментальный стенд волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов, провести экспериментальное исследование и сравнить результаты моделирования и экспериментального исследования.
Разработать метод компенсации влияния неинформативных факторов, в частности, загрязнения торцов световодов при контроле влагосодержания.
Разработать рекомендации по проектированию конструкции волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов.
9 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:
Предложен метод определения влагосодержания на основе передачи и приема некогерентного излучения сквозь светлый нефтепродукт. Для реализации данного метода предложено использовать некогерентные волоконно-оптические преобразователи.
Разработана математическая модель волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов, позволяющая сформулировать рекомендации по выбору конструктивных параметров преобразователя.
Разработан алгоритм функционирования интеллектуального устройства контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов.
Получены результаты экспериментального исследования волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания, доказывающие его работоспособность и адекватность разработанной математической модели.
Предложен метод компенсации влияния неинформативных факторов при контроле влагосодержания.
Практическую значимость имеют:
1. Разработанный волоконно-оптический преобразователь контроля
влагосодержания, обеспечивающий оперативное определение
10 влагосодержания и обладающий простотой конструкции и высокой искро-взрывобезопасностью.
2. Требования и рекомендации по разработке конструкции и
принципиальных схем интеллектуального модуля обработки данных.
Методика эксплуатации предложенного устройства.
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.
Структура некогерентного волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов.
Математическая модель предложенного преобразователя.
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.
Публикации. Основные положения, выводы и практические результаты изложены в 11 печатных работах, в том числе 1 статья, 8 тезисов докладов. На оригинальные технические решения получено 2 патента (опубликованы в официальном бюллетене «Изобретения. Полезные модели», рекомендованном ВАК).
Анализ средств для определения влагосодержания светлых нефтепродуктов
Из-за низкого быстродействия устройства на основе абсолютных или физико-химических методов плохо подходят для оперативного или поточного контроля влагосодержания. Для разработки поточных или оперативных анализаторов влагосодержания предпочтительны физические методы. Рассмотрим пригодность физических методов для оперативных или поточных измерений с точки зрения искро-взрывобезопасности, точности, быстродействия, возможности организации множества независимых измерительных каналов и минимальной стоимости. Анализ результирующей колонки табл. 1.2 позволяет сделать вывод, что 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. Главной проблемой оперативных и поточных устройств, основанных на фотометрических методах, является недостаточная метрологическая надежность, причиной которой является накопление частиц взвешенной фазы на частях датчиков, непосредственно соприкасающихся со светлым нефтепродуктом. Одним из перспективных видов датчиков являются волоконно-оптические преобразователи (ВОП) физических величин, которым на сегодняшний день посвящено достаточное количество исследований и литературы, однако широкого распространения они не получили ввиду консерватизма потребителей промышленных датчиков, а также из-за фактического отсутствия стандартов применения ВОП.
Волоконно-оптический преобразователь представляет собой совокупность передающего и премного волоконно-оптического световодов/жгутов (длиной до нескольких метров), а также оптического модулятора, который изменяет параметры потока излучения в зависимости от измеряемой величины. По принципу действия все ВОП физических величин делятся на четыре класса [22] в соответствии с тем, какой из параметров оптической волны E p e(w + ), распространяющейся по волокну, используется для получения информации об измеряемом физическом воздействии: амплитуда электрического поля Е, фаза р, состояние и направление поляризации электрического вектора/? или частота w. По указанному принципу выделяют: - амплитудные датчики, - фазовые датчики, - поляризационные датчики, - частотные датчики. Наиболее просты по конструкции, а, следовательно, имеют минимальную стоимость и высокую надежность, волоконно-оптические преобразователи (датчики), имеющие нерегулярность в оптическом волокне, где под воздействием частиц воды изменяется интенсивность потока излучения. Рассмотрим построение взрывобезопасного анализатора влагосодержания с использованием ВОП с точки зрения основных аспектов проектирования и эксплуатации взрывозащищенного промышленного оборудования [11,22].
Обоснование выбора источника излучения волоконно-оптического преобразователя и особенности ввода излучения в световод
Выбор фотоприемника для ВОП производится по следующим критериям: минимальный шум, малая инерционность, максимальная чувствительность на длине волны излучателя, высокая температурная стабильность, большой срок службы и малая стоимость [31, 68]. Рассмотрим существующие фотоприемники с точки зрения применимости в ВОПКВ: 1) Электровакуумные фотоэлементы. Вакуумные фотоэлементы из-за малой чувствительности и нелинейности характеристик не применимы в волоконно-оптических преобразователях. 2) Фотоумножитель. Достоинством является высокая чувствительность. Однако использование фотоумножителей в ВОПКВ нецелесообразно из-за больших габаритов, сложности источников питания и высокой стоимости. Кроме того, возможное наличие постоянной составляющей потока излучения, на фоне которой осуществляется преобразование незначительных изменений потока, может привести к их насыщению или истощению фоточувствительного слоя. 3) Фоторезистор. Нелинейность зависимости сопротивления от величины потока излучения является недостатком фоторезисторов. Фоторезисторам свойственна заметная инерционность, обусловленная значительным временем жизни неравновесных носителей заряда, что делает их малопригодными для применения в ВОПКВ. 4) Фототиристор. Фототиристор может находиться в одном из двух устойчивых состояний - закрыт либо открыт. Чаще всего используется для пуска/останова различных устройств с полной гальванической развязкой. В ВОП применение невозможно. 5) Фотодиод. Фотодиоды могут работать в фотодиодном и фотогальваническом режимах. В первом режиме диод смещается в обратном направлении, и фототок является функцией освещенности. Во втором режиме диод генерирует фото-ЭДС. По сравнению с фотогальваническим, фотодиодный режим обладает рядом достоинств: пониженной инерционностью, широким динамическим диапазоном линейности характеристик. Основной недостаток этого режима — наличие шумового тока, протекающего через нагрузку. При необходимости обеспечения низкого уровня шума фотоприемника фотогальванический режим может оказаться более выгодным, чем фото диодный. Фотодиоды — малоинерционные фотоприемники.
Особую группу фотодиодов, отличающихся очень малой инерционностью, представляют p-i-n и лавинные фотодиоды. 6) Фототранзистор. Фототранзистор можно представить в виде эквивалентного фотодиода, включенного параллельно коллекторному переходу транзистора, обладающего только усилительными свойствами. Таким образом, транзистор повышает чувствительность эквивалентного фотодиода в (/ 213+1) раз, однако, при этом уровень шумов также заметно увеличится. Наиболее приемлемыми типами фотоприемников для ВОПКВ являются фотодиоды и фототранзисторы. Спектральная чувствительность кремниевых фотодиодов и фототранзисторов хорошо согласуется со спектральными характеристиками, инфракрасных светодиодов и волоконных световодов. Однако для ВОПКВ целесообразнее оказывается применение фотодиодов, главным образом ввиду простоты схемного решения фотоприемника. Интегральная чувствительность фотодиода [42] определяется как отношение полного фототока к падающему полному световому потоку. Чувствительность кремниевых приборов быстро снижается при длинах волн выше 990 нм. Типичный диапазон рабочих напряжений лежит в пределах 5— ПО В, эффективный размер приемной поверхности 1 — 10 мм, чувствительность 0,2—0,7 А/Вт. Увеличение чувствительности в диапазоне длин волн выше 990 нм обычно связано с ростом напряжения смещения и, следовательно, с более высокой восприимчивостью к изменениям температуры. Полная эквивалентная мощность шума TNEP характеризует как мощность шума, генерируемого в приборе, так и его усиление и служит мерой минимально обнаруживаемого сигнала. Для /?-і-п-диодов TNEP вычисляется по формуле где h — постоянная Планка,/— частота оптического излучения; В — ширина информационной полосы, Q — квантовая эффективность прибора, е — заряд электрона, к — постоянная Больцмана, Т— температура диода и усилителя и С — емкость диода. Светодиоды и фотодиоды, имеют температурную зависимость характеристик. Если в схеме включения фотоприемника не предусмотрена температурная компенсация, то длина волны, соответствующая максимальной чувствительности, будет сдвигаться со скоростью 0,4—0,5 нм/ С. Длина волны излучения СИД обычно сдвигается со скоростью 0,3 нм/ С, если нет цепи обратной связи и температурной компенсации. Поскольку скорости температурного сдвига длины волны излучателя и максимальной чувствительности фотодетектора могут отличаться, то это может привести к значительному снижению эффективности. ВОПКВ работает при относительно низком уровне мощности излучения, поэтому фотоприемники должны работать с обратным смещением, чтобы выходной ток менялся строго линейно относительно интенсивности принимаемого оптического сигнала. Отклик р-і-п -фотодиодов чрезвычайно линеен даже при низких напряжениях смещения. В то время как лавинные фотодиоды (ЛФД) имеют заметную зависимость чувствительности от напряжения смещения и температуры. Поэтому оптимальным является применение р-і-п-фотодиодов. Однако, если требуется высокая чувствительность при длинах волн больше 990 нм, то возможно использовать ЛФД. Соединение фотодиода с торцом световода, в отличии от соединения СИД, не представляет серьезной проблемы, поскольку детекторы имеют относительно большую приемную поверхность, и как угловое, так и боковое смещения не вносят ощутимых потерь. Главной причиной потерь при согласовании детектора со световодом является отражение и засветка посторонним излучением. Для детекторов с плоскими окнами, закрывающими чувствительную поверхность, потери вследствие отражения на границах раздела «световод—воздух—окно детектора» могут быть довольно большими. Эти потери можно уменьшить, применяя антиотражающие покрытия или заполнив воздушный зазор связующим веществом, имеющим промежуточное значение показателя преломления. Засветка посторонним излучением устраняется правильно разработанной конструкцией соединения световода и фотоприемника.
Источники погрешности волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания светлых нефтепродуктов
Погрешность ВОПКВ представляет собой разность измеренного и действительного значений измеряемой величины [26] влагосодержания (абсолютная погрешность ГОСТ 16263-70). Погрешность ВОПКВ, выполненного по схеме (рис. 2.1), определяется по совокупности погрешностей звеньев, входящих в него. Погрешности всех звеньев необходимо разделить на мультипликативные и аддитивные. Аддитивная погрешность ВОП, определяющая порог чувствительности, складывается из шумов, создаваемых фотоприемником, и мощности оптического шума источника излучения, которая, кроме собственного оптического шума, содержит пульсации мощности излучения, вызванные непостоянством питающего тока [31]. Так как шум источника излучения АИСТ и шумовой ток фотоприемника &ФП не коррелированны, то аддитивная погрешность ВОП равна А = А2ИСТ + А2ФП
Если в качестве фотоприемников используют кремниевые фотодиоды, а в качестве источников излучения — светодиоды, то аддитивная погрешность в значительной степени определяется диапазоном их частот и схемой включения фотоприемника. При фотодиодном включении на низких частотах преобладает фликкер-шум, у которого спектральная плотность мощности обратно пропорциональна частоте. Так как длина световодов ВОПКВ мала, то влияние оптического шума источника излучения является доминирующим и, следовательно, особое внимание должно быть уделено снижению пульсаций тока питающего источник излучения. Для уменьшения аддитивной погрешности также следует обращать внимание на наличие электрических наводок в соединительных цепях и пульсаций напряжения смещения фотодиодов.
Несмотря на большое разнообразие влияющих на мультипликативную погрешность В величин, их условно разделяют на две группы, одна из которых определяется методикой измерения, а вторая - конструктивными и техническими параметрами деталей и узлов ВОП. В соответствии с этим погрешности делятся на методические и инструментальные. ВОПКВ характеризуется зависимостью (2.1) где k3 = Т(С,Х2,хз,Х4,Х5,Хб,— Хп) " функция, зависящая от множества внешних факторов (влагосодержание (С), мутность (х2), цвет (х3), давление/плотность (хД температура (xs), дисперсность частиц ) и т.д.).
Погрешность будет появляться тогда, когда значение множителей (2.1) получат приращение [55], кроме случая, когда приращение получит функция пропускания Т при изменении влагосодержания С. Общее приращение тока 1ФП, вызванное приращениями величин АФЬ AS0n, Ак ,Ак2,АТ ,Ак4,Ак5, получают разложением (2.1) в ряд Тейлора по малым приращениям 1ФП = где ФЦ ЩМгіхО хЦ хО хО хЬ хОпМьМі Ор - начальное значение переменных, полученных расчетным путем или после первичной калибровки. Приращение функции (3.1), вызванное приращениями АФЬ А8ФПі Ак},Ак2,АТ,Акі,Ак5 при неизменном значении влагосодержания С представляет собой погрешность:
Погрешность, вызванная приращением функции Т, является методической погрешностью потому, что ее возникновение не связано с качеством материалов и технологией их обработки.
Погрешности, связанные с несовершенством элементной базы, называются инструментальной погрешностью и могут быть вызваны старением фотоприемника, источника излучения, световодов, нестабильностью источника питания, неточностью сборки ВОП, нарушением правил инсталляции, изменением условий окружающей среды и т.д. Наиболее существенное влияние на инструментальную погрешность оказывают обрыв или трещины в волокнах светопроводящего канала, нестабильность источника питания и изменение температуры окружающей среды. Причем, если для устранения влияния нестабильности источника питания и повреждения световодов достаточно одной калибровки (согласно регламента), то температурные изменения желательно отслеживать непрерывно и производить калибровку автоматически, т.к. существует суточный и годовой циклы изменения температуры (распределение температур согласно ГОСТ 16350-70).
От изменения температуры окружающей среды в большей или меньшей степени зависят все звенья ВОП: 1) Светодиод. С увеличением температуры интенсивность излучения уменьшается и максимум спектральной уходит в сторону длинных волн [50]. В случае линейного характера изменения интенсивности излучения СИД в заданном диапазоне температур температурная нестабильность излучения обусловлена температурным коэффициентом К, значение которого находится из выражения К = 100%
Структурная схема и принцип действия анализатора влагосодержания светлых нефтепродуктов на основе волоконно-оптического преобразователя контроля влагосодержания
Интеллектуальный модуль (ИМ) обработки данных предназначен для генерации оптического излучения, вводимого в ВОП, приема оптического излучения из ВОП с последующей обработкой и определением наличия влагосодержания, а также для передачи информации о влагосодержании внешним устройствам сбора данных по определенному интерфейсу [15]. 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. Поскольку волоконно-оптический канал ВОП является достаточно коротким (несколько метров), то большую часть инструментальной погрешности вносит нестабильность излучения светодиода (СИД) и в меньшей степени изменение чувствительности и шум фотодиода. Существуют следующие методы стабилизации излучения СИД [50]: 1) термостатирование; 2) изоляция СИД от различных дестабилизирующих факторов; 3) введение в цепь питания СИД термочувствительных элементов с обратной температурной характеристикой; 4) выбор оптимальных сопротивлений в цепи питания СИД; 5) стабилизация рабочего режима введением обратной связи по термозависимому параметру СИД; 6) стабилизация, введением управляющего ШИМ - сигнала от микроконтроллера, получающего информацию от термодатчика; 7) стабилизация вводом обратной связи по оптическому каналу. Рассмотрим достоинства и недостатки каждого из методов: Методы 1 и 2 позволяют уменьшить нестабильность излучения, однако, отличаются сложностью и инерционностью. Рисунок 4.6 - Схемы стабилизации интенсивности излучения СИД Метод 3 (рис. 4.6 Б) крайне сложен в реализации и требует индивидуального подбора термочувствительного элемента под каждый светодиод.
Метод 4 (рис. 4.6 А). Номинал резистора Ri устанавливается экспериментально для каждого СИД следующим образом: устанавливают температуру СИД вх и измеряют падение напряжения на СИД Uj и относительную величину потока излучения Ф] при нормальном токе 1}. Затем изменяют температуру в2, выставляют значение напряжения U2, при котором поток не изменяется, и измеряют соответствующее значение тока /г. Требуемое сопротивление определяют по формуле
Данный метод, хоть и обладает простотой, но не исключается такой дестабилизирующий фактор, как старение (временная нестабильность), а кроме того невозможно применять этот способ при импульсном питании СИД. Метод 5 (рис. 4.6 В) основан на введении обратной связи по термозависимому параметру СИД. Сущность его заключается в том, что у всех полупроводниковых элементов с изменением температуры изменяется прямое и обратное падение напряжения. Изменение этого напряжения можно использовать для термостабилизации. Недостатком этого метода является невозможность устранения временной нестабильности.
Метод 6 (рис. 4.6 Г) Экспериментально или по данным этикетки определяется зависимость потока излучения от температуры, данная зависимость вводится в микроконтроллер, который получает информацию о температуре от термодатчика. В зависимости от значения температуры микроконтроллер устанавливает рабочий режим СИД путем ШИМ - сигнала. Достоинством является возможность программно управлять интенсивностью излучения. Недостаток - не устраняется временная нестабильность, а также требуется анализ характеристик каждого СИД.
