CC BY
17
УДК 66.012.1
АЛГОРИТМ ИЗМЕРЕНИЙ СПЕКТРАЛЬНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПОГЛОЩЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ НА ОСНОВЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО
КВАНТОВОГО ГЕНЕРАТОРА
А. А. Щербакова, В. А. Соловьев
THE ALGORITHM OF MEASURING THE SPECTRAL ABSORPTION COEFFICIENTS OF PROCESS FLUIDS
INFORMATION-MEASURING SYSTEM BASED ON A PARAMETRIC QUANTUM OSCILLATOR
A. A. Shcherbakova, V. A. Soloviev
Аннотация. Актуальность и цели. Современные поточные системы контроля на основе спектрофотометрических методов позволяют в режиме реального времени идентифицировать компоненты и определять компонентный состав технологических жидкостей по измеренным спектральным коэффициентам поглощения. Материалы и методы. В основу разработки информационно-измерительной системы (ИИС) положены спектрофотометрический метод анализа технологических жидкостей, а также теория нелинейной оптики. Также использованы методы решения некорректных задач при спектральном анализе, методы математического моделирования, статистической обработки данных. Результаты. Предложен алгоритм калибровки информационно-измерительной системы на основе параметрического квантового генератора и алгоритм измерений спектральных коэффициентов поглощения технологических жидкостей предложенной ИИС. Выводы. Информационно-измерительная система для измерения спектральных коэффициентов поглощения технологических жидкостей с промышленными проточными кюветами в каждом канале измерения, расположенными вблизи трубопровода и соединенными посредством волоконно-оптического кабеля с параметрическим квантовым генератором, позволит в режиме реального времени оценить состав и идентифицировать компоненты анализируемой жидкости. Проточные кюветы позволят сократить транспортное запаздывание в системе, а спектральные коэффициенты поглощения обеспечат достоверный результат анализа жидкостей в режиме реального времени.
Ключевые слова: параметрический квантовый генератор, проточная кювета, волоконно-оптический кабель, калибровка, темновой ток, сравнительный (опорный) канал, спектральный коэффициент поглощения.
Abstract. Background. Modern production control system on the basis of spectro-photometric techniques in on-line to identify the components and determine component composition of the process fluid measured by spectral absorption coefficients. Materials and methods. The basis for the development of information-measuring system (IMS) based on spectrophotometric method for the analysis of process liquids, and the theory of nonlinear optics. Also used methods of solution of incorrect problems in spectral analysis, mathematical modeling techniques, statistical processing of data. Results. The authors suggests the algorithm of calibration of information-measuring system based on a parametric quantum oscillator and algorithm of measurement of the spectral absorption coefficients of process fluids proposed IMS. Conclusions. Information-measuring system for measuring spec-
tral absorption coefficients with process with through industrial flow cells in each channel of measurement, which are located near the pipeline and connected through fiber optic of the parametric quantum oscillator, will allow in real time to evaluate the composition and identify the components of the analyzed liquid. This will reduce transportation delay in the system and to provide reliable analysis results in real time.
Key words: parametric quantum oscillator, flow cell, optical fiber, calibration, dark current, comparative (reference) channel, the spectral absorption coefficient.
Введение
Конкурентоспособность современных нефтехимических предприятий заключается в необходимости производства больших объемов (более 7 млн т продукции в год) различного ассортимента качественной продукции (порядка 300 наименований) [1]. При производстве товарных бензинов, получаемых в результате смешения нескольких компонентов, необходимо проводить периодический анализ смешиваемых компонентов бензина, при котором производится контроль и управление составом готовых бензинов. Используемые методы и приборы для решения этих задач представлены в литературе [2-4]. От быстродействия и точности системы анализа зависит качество производимой продукции.
Создание современных поточных систем контроля на основе спектро-фотометрических методов позволит в режиме реального времени измерять спектральные коэффициенты поглощения и по ним идентифицировать компоненты, определять состав и октановое число бензинов.
Существующая современная лабораторная аппаратура инфракрасной (ИК) спектроскопии обеспечивает высокую фотометрическую точность измерений, в том числе за счет наличия сравнительного канала измерения [5, 6]. Кювета в промышленной информационно-измерительной системе (ИИС) для 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.
В работе рассматривается информационно-измерительная система с промышленной проточной кюветой и параметрическим квантовым генератором. Проточная кювета устанавливается на каждом технологическом потоке с j-ым компонентом.
1. Структурная схема ИИС на основе параметрического квантового генератора
Для идентификации компонентов, определения состава и детонационной стойкости бензинов предлагается промышленная система измерения спектральных коэффициентов поглощения бензинов и его компонентов в технологических линиях на основе параметрического генератора излучения. Установленные на потоке проточные кюветы соединены с перестраиваемым параметрическим генератором, работающим в ближнем ИК-диапазоне длин волн.
Структурная схема промышленной ИИС измерения спектральных коэффициентов поглощения технологических жидкостей представлена на рис. 1. Измерение сигналов со значениями спектральных коэффициентов поглощения производится с помощью следующих элементов системы: проточными кюве-
тами, расположенными на каждом технологическом потоке, волоконно-оптическим кабелем, импульсным лазером накачки, параметрическим генератором излучения [7], фотодиодами (Ф) [5, 8], интеграторами (И), устройствами выборки хранения (УВХ), мультиплексором, аналого-цифровым преобразователем (АЦП), микроконтроллером (МК) и ПК.
Технологический трубопровод с анализируемым компонентов
Рис. 1. Структурная схема промышленной ИИС на основе параметрического квантового генератора с основными фрагментами технологической схемы
2. Принцип работы ИИС на основе параметрического квантового генератора
Излучение от лазерной системы, состоящей из импульсного лазера накачки Nd:YAG и перестраиваемого параметрического генератора излучения с диапазоном перестройки 680... 1064 нм - сигнальной волны, 1064...2500 нм - холостой волны, по волоконно-оптическому кабелю вводится в промышленные проточные кюветы, снабженные двумя оптическими адаптерами для соединения с параметрическим генератором излучения и мультиплексором. После кюветы излучение по волоконно-оптическому кабелю направляется в мультиплексор, который последовательно подключает один из выходов к АЦП, а последовательность переключения задается программно МК. Время переключения между каналами не превышает 150 мс. К ПК подключен модуль вывода для управления исполнительными органами расходами компонентов.
ПК по и8Б-интерфейсу управляет МК, который в момент времени ^ дает команду на генерацию импульсного излучения лазера накачки, которое, попадая в параметрический генератор, преобразовывается в излучение необходимой
длины волны X7 и по волоконно-оптическому кабелю направляется в кювету. Далее с выхода кюветы излучение волоконно-оптическим кабелем направляется на малоинерционный фотодиод. Ток фотодиода 1и интегрируется при помощи интегратора (И) и запоминается устройством выборки и хранения.
АЦП по команде с МК преобразовывает аналоговый сигнал в цифровой, который затем вводится в ПК и запоминается в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
Одновременно снимается информация со сравнительного канала измерения, при этом излучение по волоконно-оптическому кабелю направляется на фотодиод, а интегратором интегрируется ток фотодиода 1с. Порядок опроса устанавливается программным образом и осуществляется при помощи мультиплексора.
В момент времени ¿2 излучение с параметрического генератора отсутствует, и интегрируется темновой ток фотодиода 1Т , который преобразовывается в цифровое значение и запоминается в ОЗУ.
Далее нелинейный кристалл [8, 9] параметрического генератора излучения командой с МК поворачивается шаговым двигателем и переходит на следующую длину волны. В момент времени ¿3 МК снова дает команду на генерацию импульсного излучения лазера накачки и все операции, описанные выше, повторяются на длине волны X7+1, так как это показано на временной диаграмме рис. 2.
Рис. 2. Временная диаграмма импульсного излучения и интегрирования измерительных, сравнительных и темновых сигналов
Цифровые сигналы с АЦП для различных длин волн при заполнении кюветы анализируемой жидкостью Ни (X7) можно представить следующей зависимостью:
Ни (X г) = Ф0(Х г) К (X г )ти (X г )Тв (X г )Тк (X г) + Нт (X г), (1)
где Ф0(Xг■) - поток излучения, вошедший в систему; К(X,) - коэффициент передачи /-го оптического тракта на 7-й длине волны (коэффициент отклонения при измерении спектральных коэффициентов пропускания); ти (X7) -спектральный коэффициент пропускания анализируемой жидкости; тв (X,) -спектральный коэффициент пропускания оптических элементов системы;
тк (К7-) - спектральный коэффициент пропускания кюветы; НТ (К 7-) - цифровой сигнал, полученный в режиме измерения темновых токов на 7-й длине волны.
Измеренные цифровые сигналы с интеграторов на различных длинах волн при прохождении излучения через сравнительный канал Нс (К7) представляет следующий вид:
Кс (К 7 ) = Ф0(К 7 ) К (К 7 )Тв (к 7 ) + Нт (К 7). (2)
Разделив соотношение (1) на соотношение (2), получим Ни (К 7 ) - Нт (К 7 ) = Фр(К 7 ) К (К 7 К (К 7 )Тв (К 7 )Тк (К 7 ) = т (К ) (3)
Нс (К7) - Нт (К7) Ф0(К 7) К (К 7 )Тв (К7) и 7 к 7 •
В соотношении (3) спектральный коэффициент пропускания кюветы тк (К7) определяется при калибровке системы. Для этого кювета заполняется тестовым компонентом и определяется величина, которая из соотношения (3) равна
т (К ) _ 1 Ни.тест (К7) - НТ(К 7) (4)
Л Ттест(К7) Нс (К,) - Нт (К,) ■ 1 '
Подставив (4) в (3), получим спектральный коэффициент пропускания анализируемого компонента:
,.(К,) = Н- (К) - НТ(К) 1 . (5)
7' Н, (К ,) - Нт (К() ^ (К 7)
По измеренным спектральным коэффициентам пропускания ти (К 7) рассчитываются соответствующие им спектральные коэффициенты поглоще-ния'-го компонента ку (К7) по формуле
к (К ) - 1ёУ (К7) (6)
к' (К7) = -Г- , (6)
Ь]
где Ь' - длина оптического пути'-й кюветы [10].
По найденным спектральным коэффициентам поглощения производится идентификация компонентов, определение состава и октанового числа бензинов на основе принципа искусственных нейронных сетей [11].
После формируются управляющие воздействия для управления расходами компонентов товарного бензина.
3. Алгоритм калибровки ИИС на основе параметрического квантового генератора
Работа информационно-измерительной системы с параметрическим квантовым генератором начинается с калибровки системы, которая учитывает спектральные коэффициенты пропускания тестового компонента. Алгоритм калибровки ИИС с перестраиваемым параметрическим генератором излучения представлен на рис. 3.
Рис. 3. Алгоритм калибровки ИИС с параметрическим квантовым генератором
ПК через модуль ввода/вывода дает команду на открытие клапана с тестовым компонентом и генерацию излучения на 7-й длине волны. Кювета заполняется анализируемым компонентом с известными значениями ттест(X7) . Цифровые сигналы ^илест.(Х 7), снимаемые с выхода мультиплексора на всех длинах волн, вводятся в ПК и запоминаются. Опрос темновых токов можно
производить достаточно редко (1 раз в один-два часа), так как они изменяются незначительно. Одновременно с измерением тестового компонента работает сравнительный канал, и с мультиплексора снимаются сигналы Мс (Х7), соответствующие соотношению (2).
П ф Л ) N (X7 ) - (X) 1
По формуле тк (X 7) =—-—---—---вычисляются и сохра-
N (X7) - Мт (X7) тилеСт(X7) р
няются в ПК значения тк(X7) . Калибровка системы завершена, когда значения тк (X,) запомнятся в ПК на всех длинах волн 7. Калибровка всей системы с количеством технологических потоков, равным количеству компонентов и готовых продуктов, завершена, когда значения тк- (X7) запомнятся в ПК для
всех компонентов у.
По завершении калибровки ПК дает команду на закрытие клапана с тестовым компонентом, и информационно-измерительная система с промышленной проточной кюветой переходит в режим измерения спектральных коэффициентов поглощения анализируемого компонента.
4. Алгоритм измерения ИИС спектральных коэффициентов поглощения технологических жидкостей
Алгоритм измерения спектральных коэффициентов поглощения анализируемой жидкости представлен на рис. 4. ПК через модуль ввода/вывода открывает клапан, кювета заполняется анализируемым компонентом. С мультиплексора последовательно снимаются цифровые сигналы Ми (X7), и по формуле (3) вычисляются значения спектральных коэффициентов пропускания ти (X7), по формуле (4) вычисляются значения спектральных коэффициентов поглощения ку (X7). Измерение цифровых сигналов системой одного
технологического потока завершено, когда запомнятся в ПК значения спектральных коэффициентов поглощения к(X 7) на всех 7-х длинах волн. Измерение цифровых сигналов системой всех технологических потоков завершено, когда в ПК запомнятся значения спектральных коэффициентов поглощения ку (X,) для каждого у-го компонента.
Заключение
Применение параметрического квантового генератора, работающего в импульсном режиме, позволит повысить точность фотометрирования, реализовать сравнительный канал измерения и тем самым производить измерение коэффициентов поглощения всех компонентов и готового товарного бензина, что значительно увеличит быстродействие системы. Представленный алгоритм измерения спектральных коэффициентов поглощения технологических жидкостей волоконно-оптической системой с параметрическим квантовым генератором позволит производить периодическую автоматическую калибровку системы и по найденным значениям спектральных коэффициентов поглощения компонентов ку (X 7) в режиме реального времени производить
идентификацию компонентов, определять компонентный состав и октановое
число товарных бензинов, например, используя принцип искусственных нейронных сетей.
Рис. 4. Алгоритм измерения спектральных коэффициентов поглощения анализируемой жидкости
Список литературы
1. Астапов, В. Н. Приборы для измерения октанового числа бензинов в технологическом потоке / В. Н. Астапов // Химия и технология топлив и масел. - 2002. -№ 2. - С. 49-51.
2. Куляс, М. О. Оптоэлектронные спектрометрические устройства измерения октанового числа бензинов : дис. ... канд. техн. наук / Куляс М. О. - Самара : СГАУ им. С. П. Королева, 2000. - 166 с.
3. Смышляева, Ю. А. Моделирование процесса приготовления высокооктановых бензинов на основе углеводородного сырья в аппаратах циркуляционного типа : дис. ... канд. техн. наук / Смышляева Ю. А. - Томск : НИТПУ, 2011. - 144 с.
4. Bakeev, K. A. Process Analytical Technology / Katherine A. Bakeev. - Blackwell Publishing Ltd, 2005. - 445 с.
5. Шмидт, В. Оптическая спектроскопия для химиков и биологов / В. Шмидт. -М. : Техносфера, 2007. - 368 с.
6. Шредер, Г. Техническая оптика / Г. Шредер, Х. Трайбер. - М. : Техносфера, 2006. - 424 с.
7. Дмитриев, В. Г. Прикладная нелинейная оптика / В. Г. Дмитриев, Л. В. Тарасов. -М. : Физматлит, 2004. - 512 c.
8. Бломберген, Н. Нелинейная оптика / Н. Бломберген. - М. : Мир, 1966. - 424 c.
9. Гурзадян, Г. Нелинейно-оптические кристаллы. Свойства и применение в электронике / Г. Гурзадян, В. Г. Дмитриев, Д. Н. Никогосян. - М. : Радио и связь, 1991.
10. Зайдель, А. Н. Техника и практика спектроскопии / А. Н. Зайдель, Г. В. Островская, Ю. И. Островский. - М. : Наука, 1976. - 375 с.
11. Щербакова, А. А. Принцип искусственных нейронных сетей в промышленной системе идентификации компонентов бензина, определения его состава и детонационной стойкости / А. А. Щербакова, В. А. Соловьев // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2015. - № 2 (14). - С. 185-192.
Щербакова Анна Алексеевна аспирант,
Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
Соловьев Владимир Александрович доктор технических наук, профессор, кафедра приборостроения, Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
Shcherbakova Anna Alekseevna postgraduate student, Penza State University
Soloviev Vladimir Aleksandrovich doctor of technical sciences, professor, sub-department of instrument engineering, Penza State University
УДК 66.012.1 Щербакова, А. А.
Алгоритм измерений спектральных коэффициентов поглощения технологических жидкостей информационно-измерительной системой на основе параметрического квантового генератора / А. А. Щербакова, В. А. Соловьев // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2016. - № 1 (17). -С. 355-363.
