CC BY
42
УДК 681.782.473:5:621.384.3
Н.Р. Рахимов, О.К. Ушаков, Е.Ю. Кутенкова, М.П. Исаев СГГА, Новосибирск
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ АНАЛИЗАТОР ЦВЕТА ПОЛУПРОЗРАЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ
N.R. Rakhimov, O.K. Ushakov, Ye. Yu. Kutenkova, M.P. Isayev SSGA, Novosibirsk
OPTOELECTRONIC ANALYZER OF SEMITRANSPARENT LIQUIDS COLOUR
The colour of semitransparent oil products (petrol, oil, autol, black oil, etc) produced by petroleum-refining industry is an important characteristic of their quality.
Цвет полупрозрачных нефтепродуктов (бензина, масла, автола, мазута и т. п.), выпускаемых нефтеперерабатывающей промышленностью, является значимым показателем их качества.
Концентрацию одного нефтепродукта в другом определяют по интенсивности окраски их смеси на основании закона Бугера - Ламберта -Бера:
(1)
где Ф^ - поток монохроматического излучения с длиной волны X, после прохождения через нефтепродукт; Ф0я, - первоначальный поток монохроматического излучения, попадающий в нефтепродукт; к^ -коэффициент поглощения, зависящий от длины волны излучения, природы растворенного нефтепродукта и температуры; С - концентрация растворенного вещества; d - толщина поглощающего слоя.
Преобразованием данного уравнения можно получить основные фотометрические величины, применяемые в практике. Это - оптическая плотность D, светопропускание Т>, светопоглощение А^. В зависимости от коэффициента поглощения к, и толщины слоя d, можно определить концентрацию растворенного вещества С [1].
В практических решениях, преобразовывая световые потоки Ф0х. и Ф^ с помощью оптоэлектронных преобразователей в соответствующие электрические сигналы Y0 и Y, можно по их величине определить те или иные оптические характеристики нефтепродуктов. При работе оптоэлектронного преобразователя на линейном участке световой характеристики, когда
Ф = Kx Y, (2)
где Kx - коэффициент пропорциональности.
Учитывая (2), можно записать
Ф, У
° = !в^ = ТГ = к*С<1 (3)
Тх =-^х100% = — х100% (4)
Фп-Ф Уп-У
А, =—5-х 100% = —-х 100% (5)
Х Ф У
Из этих уравнений видно, что оптическая плотность D прямо пропорциональна концентрации вещества в растворе. Если изменение концентрации С раствора красителя или любого химического компонента вызывает изменение КЛ, то будем иметь отклонение от закона Бугера -Ламберта - Бера.
Для оценки разрешающей способности колориметрического метода контроля за цветом образцов необходимо снять их спектральные характеристики в видимом диапазоне 0,38 4- 0,78 мкм (табл. 1).
Таблица 1. Цветовые и спектральные характеристики некоторых
полупрозрачных нефтепродуктов
Нефтепродукты Цвет Спектральная область, мкм
бензин а-72 розовый 0,6 ^ 0,64
бензин а-76 желтый 0,56 ^ 0,59
бензин а-93 оранжево-красный 0,61 н- 0,67
мазут м-40 желто-красный 0,56 -е- 0,7
Контроль цветовых параметров нефтепродуктов, протекающих через трубу, связан с некоторыми трудностями, определяющимися условиями технологического процесса. В частности, тем, что контроль цвета в упомянутых приборах производится, в основном, по двухканальной схеме. Эти методы основаны либо на сравнении исследуемого вещества с набором светофильтров, либо на измерении поглощения проходящего через нефтепродукт света на отдельных длинах волн [2, 3]. Недостатком существующих приборов является применение светофильтров, что снижает надежность, и, кроме того, возможность их использования только в лабораторных условиях.
Цветовые параметры определяются как объективное свойство предметов, проявляющееся в спектральном составе исходящего от них (пропускаемого, отражаемого) излучения и воспринимаемое как осознанное
зрительное ощущение. В этом определении даны два аспекта - физический и психофизиологический, неразрывно связанные друг с другом.
Современная теория распознавания цвета основана на однозначно установленном факте трихроматности зрения человека, т.е. зрительный аппарат содержит три вида рецепторов, каждый из которых преимущественно реагирует на красный, зеленый или синий цвет [4].
Согласно этому, цветовой параметр математически выражается вектором в трехмерном цветовом пространстве, причем начало этого вектора совпадает с началом цветовой координатной системы (ЦКС). Если в качестве основных цветов использовать единичные векторы трех цветов красного гп, зеленого gn и синего bn, то любой цвет можно выразит в виде:
Ц = Rr +G„ +Bb , (6)
где R, G, B - качества соответствующих цветов.
На рис. 1 показаны кривые сложения цветов систем RGB (а) и XYZ (б). RGB-система называется эмпирической, которая используется в качестве основных цветов чистого спектрального излучения красного (Л=700 нм), зеленого (^=546,1 нм) и синего (^=435,8 нм) цветов. A XYZ называется феноменологической системой. Смысл этих систем заключается в том, что спектрально чистый цвет с Л=600 нм воспринимается глазом как состоящий из красного и зеленого компонентов в соотношении 14:3, излучение с Л=450 нм воспринимается в виде соотношения 7,5:1:35 красного, зеленого и синего цветов соответственно.
а) б)
отн. ед.
-0,1
Рис. 1. Кривые сложения цветовых систем RGB (a) и XYZ (б).
В системе RGB кривые красного гп, зеленого gn и синего bn построены так, что для каждого из трех основных цветов отличаются от нуля лишь ординатой одной кривой. Принципиальный недостаток этих кривых сложения заключается в наличии отрицательного участка у кривой. При измерении цветовых координат вычитание цвета реализовать невозможно, поэтому в колориметрии это система не применяется [5].
Таким образом, задача контроля цветовых параметров на основе XYZ системы осуществляется тремя способами. Первый - это визуальное сопоставление измеряемого цвета с эталонным. Эталон выбирается из заранее составленного цветового атласа или компьютерным программированием каждого из цветов. Второй - это спектрофотометрирование, наблюдаемого излучения и расчет координат X, Y, Z. Третий - это непосредственное измерение координат X, Y, Z при использовании трех эталонных приемников оптического излучения, спектральные функции чувствительности которых в точности соответствуют кривым Yx Yy Yz. Этот способ, несомненно, является наиболее перспективным, так как он удовлетворяет требованиям технологического процесса.
Для разработки по этому способу устройство должно выполнить следующие операции:
Выделение анализирующего излучения на трех длинах волн (красный, зеленый и синий);
- Прием прошедших через объект потоков излучения и преобразование в фотоэлектрический сигнал;
- Обработка фотоэлектрического сигнала.
На рис. 2 показаны блок-схема и конструктивное выполнение устройства для контроля цветовых параметров нефтепродуктов.
Устройство состоит из корпуса 1, двух идентичных кварцевых колпачков 2, задающего генератора (источника импульсного питания) 3, коммутатора (разделителя импульса) и трех измерительных 5, 9, 13 трех компенсационных 6, 10, 14 светоизлучающих диодов, трех V-образных передающих оптоволокон 7, 11, 15, трех принимающих оптоволокон 8,12 ,16, трех эталонных приемников оптического излучения 17, 18, 19, трех идентичных блоков обработки фотоэлектрического сигнала и трех измерительных приборов 20, 21, 22 или ЭВМ 23.
Устройство работает следующим образом. При установке корпуса 1 на трубу, по которой протекает нефтепродукт при заданном технологическом процессе, между кварцевыми колпачками пространство заполняет контролируемая полупрозрачная жидкость. Задающим генератором (3) вырабатываются прямоугольные импульсы, которые подаются на вход коммутатора (4). Разделенные импульсы попеременно подаются к светоизлучающим диодам (5, 6, 9, 10, 13, 15), а затем эти излучения подаются
на оптоволокно 7, 11, 15, потоки излучения, проходящие через слой контролируемого нефтепродукта 24, поступают на оптоволокно 8, 12, 16, а затем на светочувствительную поверхность приемников оптического излучения (17, 18, 19). Фотоэлектрические сигналы с выхода приемников оптического излучения, соответствующие красному и инфракрасному, зеленому и инфракрасному, синему и инфракрасному потокам подаются на вход идентичных блоков обработки фотоэлектрического сигнала и измерительного приборов (20, 21, 22) или ЭВМ (23) для анализа соответствующих цветовых параметров.
а)
1
23
Рис. 2. Конструктивное выполнение (а) и блок-схема (б) устройства
Назначение каждой оптопары поясняется следующим образом: контролируемая жидкость облучается двумя световыми потоками с длинами волн и к2, одна из которых является измерительным, а другая компенсационным. Согласно закону Бугера - Ламберта - Бера, проходящие потоки излучения через слой контролируемой жидкости на компенсационной и измерительной длинах волн, имеют вид:
Фм = ^o^e-KlCd; фх2 = O0,2e-KlCde"^cd, (7)
где Фон и Ф()/2 - световые потоки до прохождения через слой контролируемой жидкости; ФЛ| и Ф/2 - световые потоки после прохождения через слой контролируемой жидкости; к - коэффициент рассеяния; к2 -коэффициент поглощения, зависящий от цвета контролируемой жидкости; е -основание натурального логарифма; d - толщина слоя контролируемой жидкости.
Выровняв начальные потоки излучения Ф0?а = Ф0/.2, получим: = 6К2Сс1 _
®Х2
Из этих выражений видно, что при d = const отношение проходящего потока излучения на компенсационной и измерительной длинах волн через слой контролируемой жидкости пропорционально цвету контролируемого нефтепродукта.
Предлагаемое устройство обладает повышенной точностью распознавания цвета в ходе технологического процесса за счет трех оптопар, которые контролируют три цветовых параметра, соответствующие параметрам X, Y, Z.
Устройство обладает повышенной точностью контроля за счет трехмерного измерения с длинами волн = 680 нм, Х2 = 560 нм, Х3 = 450 нм, когда в качестве эталонных приемников оптического излучения применены фоторезисторы.
При необходимости сигнал с выхода блока обработки фотоэлектрического сигнала можно подать в систему автоматического контроля.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Рахимов, Н.Р. Исследование фотоэлектрических свойств АФН-пленок теллурида кадмия с серебром и разработка оптоэлектронных приборов на их основе: дис. канд. техн. Наук.- Ташкент 2001.- 140с.
2. Rahimov N.R; Gafurov U.A., Zokirov R. Semitransparent fluid color sensor-analyzer «ДЦ-5М». - Moscow, Vneshtorgizdat, 1991, N 3822 Т, p. 2.
3. Рахимов, Н.Р. Оптоэлектронный анализатор цвета полупрозрачных жидкостей // Приборы и средства автоматизации научных исследований и народного хозяйства Республики. - Ташкент, 1991 г.- С. 90-93.
4. Юстова Е.Н. Вопросы измерения и стандартизации цвета: дис. на соиск. учен. степ. д.т.н.- Л., 1974.
5. Мешков, В. В. Основы светотехники.- М: Энергия, 1979.
© Н.Р. Рахимов, О.К. Ушаков, Е.Ю. Кутенкова, М.П. Исаев, 2009
