CC BY
67
УДК 681.586.5:621.384.3
О.К. Ушаков, Н.Р. Рахимов, П.В. Петров
СГГ А, Новосибирск
РАЗРАБОТКА ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА НАРУШЕННОГО ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ
O.K. Ushakov, N.R. Rakhimov, P.V. Petrov Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)
10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
DEVELOPMENT OF OPTOELECTRONIC MEASURE CONTROL SYSTEM OF OUTWARD TOTAL INSIDE REFLECTION EFFECT ON THEIR BASIS
In this work the optoelectronic test-systems on the base of semiconducive option of an open channel have been constructed and worked out for the first time. The systems on a base of optron of an open channel and DFIE elements were calculated.
Развитие системы автоматического управления производственными процессами характеризуется непрерывным совершенствованием ее элементной базы - первичных измерительных преобразователей (ПИП) и, в частности, оптоэлектронных ПИП.
В последнее время оптоэлектронное методы контроля с успехом применяются для количественного и качественного анализа веществ. Высокая точность и чувствительность, экономичность являются их преимуществами по сравнению с другими физико-техническими методами анализа.
Суть оптоэлектронного метода анализа состоит в том, что любое вещество отражает или поглощает, или излучает свет. При этом в зависимости от химического состава вещества и количественного соотношения составляющих его элементов изменяется интенсивность светопоглощения, угол отражения и другие характеристики взаимодействия светового излучения и вещества.
Оптоэлектронные ПИП автоматических устройств, используемые в нефтеперерабатывающей промышленности, должны контролировать основные технологические параметры, определяющие оптимальный ход технологического процесса, такие как влажность, оптическая плотность, цвет, содержание одного вещества в другом и др. характеристики, подвергающиеся оптическому контролю [1].
Нисколько не уступая другим физико -химическим методам в точности и удобстве определения оптических параметров метод нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) превосходит их в экспрессности, обеспечивая в то же время неразрушающий контроль.
В основе метода НПВО (рис. 1) лежит явление проникновения световой волны в оптически менее плотную среду n2, когда световой поток
фоХ распространяется из оптически более плотной среды П1 в менее
плотную п2 под углом 0.
Физический смысл заключается в следующем. Используются два световых потока с разными длинами волн, например, Х\ = 1,93 мкм (измерительный) и Х2 = 1,7 мкм (опорный), соответствующим
максимальному и минимальному поглощению воды. Световой поток Ф0/ распространяется из оптически плотной среды с показателем преломления пь в менее плотную с п2 под углом 0, превышающим предельный (критический) угол полного внутреннего отражения 0К,. Световой поток Ф(щ частично проникает в среду п2; на глубину порядка длины волны падающего излучения
где А,1 - длина волны излучения в оптически плотной среде с показателем преломления щ; п21 = п2/п! - относительный показатель преломления. Если угол излучения равен или превышает критический 0К = агсБт п!/п2, то наблюдается полное внутреннее отражение (метод ПВО). Поскольку менее плотная среда с комплексным показателем преломления п = п2-]%2 обладает поглощением, отражение не будет полным, т.е. условия для этого нарушаются и коэффициент отражения (Я = Ф> | / Фон) станет меньше 1. Степень ослабления R пропорциональна показателю поглощения. Таким образом, чем выше поглощение, тем сильнее нарушается отражение. Это называется эффект НПВО.
[2]:
(1)
СИД 2
Элемент НПВО
Рис. 1. Физические основы метода НПВО
В ИК-области спектра для достижения условия п1> п2 используются измерительные элементы НПВО из высокопреломляющих оптических материалов, прозрачных в соответствующем диапазоне.
Нефть характеризуется значениями оптического поглощения 0,01 <Х< 0,2. Достичь условий, при которых ее оптическая плотность не выходила бы за пределы рабочего интервала, обеспечивающего удовлетворительную точность фотометрических измерений (0,2 < D < 0,8), можно путем изменения концентрации поглощающего вещества (например, его разбавление растворителем). Недостатком этого способа является возможность случайных погрешностей и нарушение структуры анализируемого вещества.
На основе применения эффекта НПВО авторами разработано устройство для мониторинга жидких сред. Блок-схема устройства приведена на рис. 2.
Рис. 2. Блок-схема оптоэлектронного устройства для мониторинга жидких
сред
Устройство для мониторинга жидких сред (см. рис.2) включает датчик нарушенного полного внутреннего отражения, выполненный в виде треугольной призмы 1, Вокруг призмы 1 и вдоль ее длины расположены источники излучения 4-7, оптически связанные с измерительными фотоприемниками 8-11. Устройство также включает компенсационные источник излучения 12 и фотоприемник 13, оптически связанные между
собой, задающий генератор 2, соединенный с коммутатором 3, один выход которого соединен с компенсационным источником излучения 12, а другие выходы - с источниками излучения 4-7, выход каждого измерительного фотоприемника 8-11 соединен с одним из входов сумматора 14, выход которого соединен с первым входом блока обработки фотоэлектрического сигнала 15, второй вход которого соединен с компенсационным фотоприемником 13, а выход - с регистрирующим прибором 16. Каждый источник излучения 4-7 оптически связан через измерительный гран треугольной призмы 1 с соответствующим измерительным фотоприемником 8-11. Вместо регистрирующего прибора 16 может быть использована ЭВМ. В качестве источников излучения 4-7 и компенсирующего источника излучения 12 могут быть использованы светодиоды.
Устройство работает следующим образом.
Задающий генератор 2 вырабатывает прямоугольные импульсы с частотой следования 8-10 кГц, поступающие на вход коммутатора 3, который делит их на две части. Одна часть импульсов поступает на источники излучения 4-7, а другая часть - на компенсирующий источник излучения 12. Потоки излучения от источников излучения 4-7 фокусируются на измерительном гране призмы 1, отражаются и поступают на измерительные фотоприемники 8-11, где оптический сигнал преобразуется в электрический, который поступает на входы сумматора 14 и суммируется в нем. Оптическое излучение от компенсационного источника излучения 12 поступает на компенсационный фотоприемник 13.
Электрические сигналы с выхода сумматора 14 и компенсационного фотоприемника 13 поступают в блок обработки фотоэлектрического сигнала 15, где определяется отношение электрических сигналов, соответствующих компенсационному и измерительным потокам излучения, которое пропорционально оптическому параметру жидкой среды. Электрический сигнал с выхода блока обработки фотоэлектрического сигнала 15 поступает на регистрирующий прибор 16 (или ЭВМ), по показанию которого судят об оптических параметрах жидкой среды.
Предлагаемое устройство повышает точность измерения за счет многократного объемного измерения параметров контролируемой жидкости, суммирования электрических сигналов от п фотоприемников. Кроме того, с помощью данного устройства можно также определить содержание нефтепродуктов в эмульсионной воде. Также, при установке элемента НПВО в вертикальном положении, можно определять уровень жидкой среды, при этом оптроны устанавливаются на определенных участках элемента НПВО.
При измерениях методом НПВО, по сравнению с методом пропускания, требуется дополнительная оснастка, необходим продуманный выбор показателя преломления элемента НПВО и угла падения света. Следует учитывать возможное коррозионное воздействие образца на элемент НПВО и необходимость периодической замены последнего из-за повреждения в эксплуатации. Элементы НПВО зачастую дороги, требуется высокое качество их поверхностной обработки. Поскольку достижимая эффективная толщина
даже при числе отражений выше 100 не превышает долей миллиметра, метод НПВО не следует применять для очень слабо поглощающих образцов. Это относится к исследованию газов, опытам по титрованию растворов и т.д., где для спектрального исследования требуется образец толщиной в несколько миллиметров.
Метод НПВО обычно непригоден для исследования материалов с сильно меняющимся показателем преломления (например, кварца). В этих случаях не удается поддерживать угол падения выше критического во всем интервале длин волн.
При отсутствии достаточно хорошего контакта между образцом и элементом НПВО получаемые значения относительной интенсивности полос нельзя считать надежными.
В определенных случаях метод НПВО следует применять осторожно. Так например, при анализе смесей веществ относительная концентрация компонентов вблизи поверхности элемента НПВО может оказаться иной из-за различия потенциалов у поверхности. В этом случае спектр НПВО не будет характеризовать смесь в целом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Рахимов Н.Р. Оптический контроль в нефтеперерабатывающем производстве // Фергана, «Техника», 2004. - 91 с.
2. Харрик Н. Дж. Спектроскопия внутреннего отражения. - М.: Недра. -
305 с.
3. Абдуллаев А.А и др. Контроль в процессах транспорта и хранения нефтепродуктов. - М., Недра, 1990. - С. 194-195.
© О.К. Ушаков, Н.Р. Рахимов, П.В. Петров, 2008
