Методы синтеза оптических систем для задач проточного анализа в промышленных комплексах мониторинга нефтепродуктов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Бобе Александра Сергеевна

• Бобе Александра Сергеевна
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Бобе Александра Сергеевна

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Оптические системы для задач проточного анализа в промышленных комплексах мониторинга нефтепродуктов

1.1 Оптические и оптико-электронные методы контроля нефти и нефтепродуктов67

1.2 Оптические и оптико-электронные системы контроля пластового флюида

1.3 Обзор систем оптического анализа пластового флюида и нефтепродуктов .. 69 1.4. Анализ спектральных свойств нефтепродуктов в видимом и БИК диапазонах73

1.4.1 Интерпретация спектров поглощения нефтепродуктов

1.4.2 Расчет потерь при отражении излучения на границе раздела окон кюветы и проточного канала

1.4.3 Деколоризация спектра

1.4.4 Вычисление концентрации компонент С1, С2-5, С6

1.4.5 Вычисление концентрации СО2

1.4.6 Вычисление газового фактора

1.5 Определение рабочих длин волн спектрального анализа нефти и нефтепродуктов

1.6 Флуоресцентные свойства нефти и нефтепродуктов

1.7 Показатель преломления нефти и нефтепродуктов

1.8 Принципы построения оптических систем проточного анализа нефтепродуктов

1.9 Разработка структурной схемы оптических систем для задач проточного мониторинга

Выводы к главе

ГЛАВА 2. Разработка методов синтеза фотометрических оптических систем для задач проточного анализа нефтепродуктов

2.1 Схема построения многоканального спектрометра

2.2 Ограничения энергетических характеристик многоканального спектрофотометра

2.3 Функциональный блок зондирующей системы

2.3.1 Отражающие и пропускающие волоконно-оптические зонды

2.3.2 Моделирование отражающего волоконно-оптического зонда

2.3.3 Моделирование пропускающего волоконно-оптического зонда

2.3.4 Исследование критериев выбора схемы волоконно-оптического зонда для применения в оптических проточных системах

2.4 Расчет спектральной характеристики пропускающего волоконно-оптического зонда

2.5 Исследование влияния давления в кювете на распределение мощности излучения в каналах ВОЖ многоканального спектрофотометра

2.5.1 Расчет деформации оптического окна при повышенном давлении вещества в протоке

2.5.2 Анализ аберрационных характеристик оптических окон при повышенном давлении в проточном канале

2.5.3 Анализ перераспределения облученности волоконно-оптического жгута многоканального спектрофотометра

2.5.4 Определение погрешности линейной аппроксимации матрицы поправочных коэффициентов

Выводы к главе

ГЛАВА 3. Разработка методов синтеза рефрактометрических систем для задач проточного анализа нефтепродуктов

3.1 Расчет геометрических характеристик призменного элемента проточного рефрактометра

3.1.1 Параметризация призменного элемента проточного рефрактометра

3.1.2 Определение геометрических ограничений условия соблюдения углов ПВО

3.1.3 Определение геометрических ограничений условия распространения лучей в призменном элементе

3.1.4 Определение геометрических ограничений условия выхода излучения

3.1.5 Разработка алгоритма вычисления диапазона углов падения излучения на первую грань призменного элемента

3.1.6 Определение условия ввода луча в призменный элемент

3.1.7 Результаты расчета вариантов призменных элементов

3.2 Расчет призменного элемента на основе полного внутреннего отражения для проточного порового рефрактометра

3.3 Расчет зондирующей системы на основе расфокусировки для задач рефрактометрии в проточных системах

Выводы к главе

ГЛАВА 4. Разработка экспериментального образца датчика пластового флюида для скважинных исследований месторождений нефти

4.1 Роль оптико-электронных комплексов для анализа пластового флюида в скважинных условиях

4.2 Разработка метода анализа флуоресценции для задач мониторинга переходных процессов

4.2.1 Экспериментальное исследование флуоресценции нефти и раствора красителя

4.2.2 Разработка критерия анализа загрязнения нефти буровым раствором

4.2.3 Экспериментальное исследование переходного процесса очистки

4.3 Описание экспериментального образца датчика анализатора флюида ДАФ179

4.4 Экспериментальное исследование спектрального модуля датчика ДАФ

4.5 Экспериментальные индикаторные диаграммы ДАФ

Выводы к главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А: Акты использования

Приложение Б: Тексты публикаций

Реферат

Общая характеристика диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы синтеза оптических систем для задач проточного анализа в промышленных комплексах мониторинга нефтепродуктов»

Актуальность темы

Проточный анализ играет ключевую роль в нефтяной промышленности, обеспечивая оперативное и точное мониторинговое решение для процессов добычи, транспортировки и переработки нефти. Такой метод позволяет проводить анализ состава нефтяных потоков непосредственно во время их движения по трубопроводу или скважине, что существенно сокращает время получения результатов и обеспечивает оперативное принятие решений по ходу технологического процесса. Благодаря проточному анализу возможен непрерывный контроль качества нефти, выявление примесей и изменений в составе продукта, что способствует оптимизации производственных процессов и снижению рисков возможных аварий.

Проточный анализ позволяет значительно экономить ресурсы, поскольку дает возможность обеспечивает возможность получать информацию об образце в режиме реального времени и возможность извлечения образцов из потока, содержащих только целевые вещества, без примесей или промежуточных фаз, для дальнейшего лабораторного анализа, что снижает расходы на обслуживание и повышает эффективность процессов контроля.

Наибольший вклад в разработку оптических методов анализа нефтепродуктов и интерпретацию данных оптических измерений внесла команда инженеров под руководством Оливера Мюллинса в компании ScЫumberger, которая разработала систему оптического каротажа, заключающегося в детальном исследовании состава пластового флюида в скважине при погружении геофизического зонда, в 2005-2015 годах. Предложенные данной группой методы легли в основу промышленных комплексов анализа пластового флюида и нефтепродуктов. В разработках и исследованиях команды ScЫumberger широко изучены оптические свойства нефти и пластового флюида и принципы оптического анализа, который возможно использовать в режиме реального времени для

мониторинга производственных процессов при добыче нефти, однако в работах не раскрыта методология оптического приборостроения, в том числе методы синтеза оптических и оптико-электронных систем в освещаемой области. Наряду с этим в настоящее время активно разрабатываются и внедряются системы цифровизации и автоматизации производственных процессов, в том числе в нефтяной промышленности. Таким образом подтверждается актуальность разработок оптических приборов и комплексов проточного промышленного мониторинга.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка методов синтеза оптических систем для задач проточного анализа в промышленных комплексах мониторинга нефтепродуктов.

Для достижения данной цели в рамках диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ оптических методов определения свойств нефтепродуктов и формирование технических требований к оптическим системам проточного мониторинга.

2. Изучение и разработка методов синтеза фотометрических оптических систем проточного анализа нефтепродуктов.

3. Изучение и разработка методов синтеза рефрактометрических оптических систем проточного анализа нефтепродуктов.

4. Разработка структурной схемы построения оптического датчика проточного анализа пластового флюида

5. Экспериментальное исследование образца оптического датчика, обработка полученных экспериментальных значений оптических характеристик нефтепродуктов.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Метод синтеза пропускающей зондирующей волоконно-оптической системы многоканального спектрофотометра, предназначенного для проточного анализа нефтепродуктов, заключающийся в расчете спектральной характеристики пропускания системы волоконно-

оптических каналов, образующих жгут, с последующим определением соответствия между длиной волны излучения и позицией канала в жгуте для афокальной и фокусирующей формирующей оптической системы, позволяет увеличить до 2-х раз коэффициент пропускания каналов спектрофотометра.

2. Метод калибровки многоканального спектрофотометра проточного анализа нефтепродуктов, заключающийся в определении матрицы поправочных коэффициентов в зависимости от показателя преломления анализируемого вещества (п=[1,0;1,6]) в проточной кювете при рабочем давлении вещества до 100 МПа и расчете их промежуточных значений методом линейной аппроксимации, позволяет компенсировать влияние упругих деформаций сапфировых окон кюветы, вызывающих деформацию плоского волнового фронта принимаемого оптического излучения, посредством корректировки с помощью полученной матрицы выходного потока оптического излучения в каналах ВО жгута с уменьшенной до 0,6% относительной погрешностью.

3. Метод расчета призменного элемента полного внутреннего отражения рефрактометрической системы, основанный на алгоритме трассировки лучей, включающем определение допустимых диапазонов изменения угла падения луча на грань призменного элемента для выполнения условия соблюдения углов ПВО, условий пересечения отражения луча от всех граней элемента и входа/выхода луча из элемента, позволяет по заданным геометрическим параметрам призменного элемента (количество граней Ы, угол основания в, соотношение высоты и основания элемента 8/Ъ) однозначно определять диапазон измеряемых показателей преломления анализируемого вещества при проектировании призменных элементов для анализирующей системы проточных рефрактометров.

4. Предложенный принцип построения проточного флуориметра, заключающийся в использовании канала анализа флуоресценции с

рабочей длиной волны 520 нм дополнительно к стандартным каналам анализа флуоресценции с рабочими длинами волн 650 и 500 нм, позволяет до 4-х раз повысить чувствительность флуориметра для процесса очистки нефти от бурового раствора с возможностью применения при анализе нефти с обеими практическими характеристиками - как Q500/520, так и 0650/500.

Научная новизна диссертации отражена в следующих пунктах:

Научная новизна 1 - Исследовано влияние давления в проточной кювете на распределение освещенности на торце приемного волоконно-оптического жгута в многоканальном спектрофотометре и определен поправочный коэффициент к, зависящий от давления в кювете и показателя преломления вещества в проточном канале кюветы.

Научная новизна 2 - Разработан метод расчета призменного элемента проточного рефрактометра, основанный на эффекте полного внутреннего отражения (ПВО), учитывающий конструктивные ограничения расположения элемента в проточной кювете.

Научная новизна 3 - Предложен метод синтеза проточного рефрактометра на основе эффекта расфокусировки, основанный на изменении изображения источника излучения в зависимости от показателя преломления в проточном канале кюветы, для определения показателя преломления в условиях скважинного анализа пластового флюида.

Научная новизна 4 - Предложен новый критерий флуоресценции ^500/520, равный соотношению сигналов флуоресценции на длинах волн 500 и 520 нм, который позволяет отслеживать процесс очистки нефти от бурового раствора с флуоресцентным красителем при скважинном анализе с повышенной чувствительностью относительно стандартного критерия анализа флуоресценции нефти ^650/500.

Объектом исследования являются оптические системы для задач проточного анализа в промышленных комплексах мониторинга нефтепродуктов.

Предметом исследования являются методы синтеза фотометрических и рефрактометрических систем, включающие особенности оптических свойств нефти и нефтепродуктов, а также условий эксплуатации комплекса проточного мониторинга в промышленном применении.

Теоретическая и практическая значимость работы отражены в следующих пунктах:

1. Разработан метод синтеза многоканального спектрофотометра. Определено значение равномерности распределения мощности излучения в волоконно-оптических каналах жгута для афокальной и фокусирующей формирующих оптических систем и 7-канальной и 16-канальной укладок жгута.

2. Разработан метод и алгоритм компенсации дополнительной погрешности измерения коэффициента пропускания вещества в системе многоканального спектрофотометра, возникающей при изменении давления в проточном канале. Предложены матрица поправочных коэффициентов и алгоритм калибровки, учитывающий значения повышенного давления в системе проточной кюветы и показателя преломления анализируемого вещества.

3. Разработан метод синтеза призменных элементов рефрактометра. Определены диапазоны показателей преломления контролируемого вещества для различных геометрических параметров призменного элемента.

4. Разработана схема интерпретации оптических параметров нефтепродуктов и пластового флюида, включающая анализ спектрального поглощения на рабочих длинах волн, показателя преломления и спектра флуоресценции исследуемого вещества.

5. По разработанной математической модели связи оптических свойств и физических параметров нефти и нефтепродуктов построен алгоритм калибровки датчика анализатора флюида ДАФ и интерпретации полученных данных датчика в виде индикаторных диаграмм проточного процесса.

6. С использованием разработанных методов синтеза оптических систем спектрофотометра, флуориметра и рефрактометра разработан датчик анализа пластового флюида, который позволяет определять доли углеводородных компонент с относительной погрешностью не более 2,6%, оптические плотности воды с относительной погрешностью не более 5,2%, оптическую плотность в канале цвета пластового флюида с относительной погрешностью не более 0,8% и оценивать соотношение флуоресценции в каналах флуориметра с относительной погрешностью не более 0,5% для выборки п = 10 измерений с доверительной вероятностью 95%. Достоверность научных достижений

Разработанные методы и алгоритмы базируются на законах геометрической оптики, волновой оптики, основах фотометрии, спектрометрии и классической теории упругости. Достоверность полученных результатов подтверждается результатами компьютерного моделирования в пакетах программ Zemax OpticStudio и Comsol Multiphysics.

Внедрение результатов работы

Отдельные результаты работы использованы в НИР №222088 «Разработка концептуальных решений для создания прототипа промышленного Фурье спектрофотометра ближней инфракрасной области (FT-NIR) для поточных измерений качества нефтепродуктов».

Отдельные блоки работы использованы в рамках разработки датчика анализатора пластового флюида ДАФ на предприятии ООО «Геофотоника». Апробация результатов работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на одиннадцати всероссийских и международных конференциях: «X Конгресс молодых ученых», г. Санкт-Петербург, 2021; «Пятидесятая научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО», г. Санкт-Петербург, 2021; «SPIE Optical system Design», онлайн, 2021 ;«XI Международная конференция по фотонике и информационной оптике», г. Москва, 2022 г; «XII Конгресс молодых ученых», г. Санкт-Петербург, 2022; «International Conference Laser Optics», г. Санкт-Петербург,

2022;« Sino-Russian Advanced Photonics and Optics Seminar», г. Санкт-Петербург, 2022 ;«XII Международная конференция по фотонике и информационной оптике», г. Москва, 2023 г.; «Пятьдесят вторая научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО», г. Санкт-Петербург, 2023; «SPIE Photonics Asia», г. Пекин, 2023; «XIII Конгресс молодых ученых», г. Санкт-Петербург, 2024.

Выполненные исследования поддержаны грантами и стипендиями: Конкурс грантов для студентов вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга - 2023 г.; НИР МА №621281 «Разработка методов и средств для решения прикладных задач в области световодной фотоники», 2021 г.; НИР №222088 «Разработка концептуальных решений для создания прототипа промышленного Фурье спектрофотометра ближней инфракрасной области (FT-NIR) для поточных измерений качества нефтепродуктов», 2022г. Личный вклад автора

Представленные в диссертации результаты получены автором лично или при непосредственном участии автора. Публикации

Основные результаты по теме диссертации изложены в следующих публикациях

В международных изданиях, индексируемых в базе данных Scopus:

1. Bobe A.S., Voznesenskaya A.O. Inline process refractometer based on image defocusing//Optical Instrument Science, Technology, and Applications II. - SPIE, IET - 2021, Vol. Т. 11876, pp. С. 76-82.

2. Bobe A., Pavlova A., Polyakov V. In Situ Downhole Fluid Analysis Systems Using LED, Laser-Induced Fluorescence, and Uranine-Traced Drilling Water // Applied Spectroscopy - 2023, Vol. 77, No. 1, pp. 116-122.

3. Bobe A.S., Voznesenskaya A.O., Polyakov V.M. Design of multichannel NIR spectrophotometers for in-line process analysis of oil products // Proceedings of SPIE - 2023, Vol. 12765, pp. 127650X.

4. Поляков В.М., Бобе А.С., Томашевич С.И., Денк Д.С., Калитеевский Д.Н., Калитеевский И.Н., Павлова А.Л. Спектрометры видимого и ближнего инфракрасного диапазона для научного и промышленного применения [Visible and Near Infrared Spectrometers for Scientific and Industrial Applications] // Фотоника - 2021. - Т. 15. - № 4. - С. 316-322.

5. Бобе А.С., Вознесенская А.О., Бахолдин А.В., Стригалев В.Е., Васильев В.Н. Сенсорный элемент рефрактометра пластового флюида на основе полного внутреннего отражения // Научно- технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21, № 3. С. 320-325.

В изданиях из перечня ВАК РФ: 1. Бобе А.С., Вознесенская А.О., Поляков В.М. Исследование влияния повышенного давления в проточной кювете на мощность излучения в каналах многоканального спектрофотометра // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 7. С. 51-61. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-07-51-61.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертационной работы составляет 207 страниц и содержит 74 рисунка и 12 таблиц. Нумерация рисунков и формул выполнена по главам. Список литературы включает в себя 105 источников. Нумерация используемых литературных источников сквозная по всему тексту.

Основное содержание диссертации

Во введении сформулированы цель и задачи, обоснована актуальность исследования, проводимого в рамках диссертационной работы, сформулирована научная новизна и теоретическая и практическая значимость представленной работы, а также представлены положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации представлен обзор оптических и оптико-электронных методов контроля пластового флюида, нефти и нефтепродуктов, рассмотрены их особенности и ограничения, связанные с внедрением в проточные комплексы мониторинга. Проведен анализ спектральных свойств нефтепродуктов в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне, предложен алгоритм

интерпретации оптических характеристик поглощения нефтепродуктов. Обоснован выбор рабочих длин волн для спектрального анализа нефти. Проведен литературный обзор флуоресцентных параметров нефти и диапазона значений показателя преломления веществ в протоке. Обобщенный алгоритм оптического анализа нефтепродуктов, связывающий полученные данные с модулей рефрактометра, многоканального спектрофотометра и флуоресценции и использующий рассмотренные выше методы интерпретации оптических свойств нефтепродуктов для предварительного определения типа вещества и последующего детального анализа характеристик представлен на рисунке 1.

Во второй главе диссертации рассмотрены фотометрические оптические системы для задач проточного анализа нефтепродуктов. В первом и втором разделе представлен анализ схем спектрофотометров и определены преимущества использования системы многоканального спектрофотометра при проточном анализе нефти и нефтепродуктов в системах проточного анализа. В третьем разделе приведены рекомендации по выбору типа зондирующей системы для применения в различных проточных системах для оптимизации энергетической эффективности и равномерности распределения энергии по каналам волоконно-оптического жгута. В четвертом разделе проведен расчет спектрального коэффициента пропускания с учетом спектрального распределения источника и приемников излучения и материалов окон кюветы.

Анализ энергетических параметров учитывает спектральное распределение плотности потока излучения источника, пропускание оптических компонентов и спектральную чувствительность приемников излучения. Спектральная характеристика системы для волоконно-оптических каналов вычисляется как:

Т(п,Л) = жии(я) * т0(Л)2 * тос(я) * То( п) * 5пи(я), где Т(п) спектральный коэффициент пропускания системы в ВО канале, ЖИИ(Я) - спектральная плотность потока излучения источника (галогеновая лампа) [Вт/нм], т0(Л), тОС(Я)- спектральный коэффициент пропускания оптических окон и формирующей оптической системы, т0(п) - коэффициент пропускания

системы до каждого канала волоконно-оптического жгута (ВОЖ), 5ПИ(Я) спектральная чувствительность приемника излучения (Вт/А) .

Рисунок 1 - Обобщенный алгоритм оптического анализа нефтепродуктов

Для достижения максимально возможного энергетического коэффициента пропускания каналов системы необходимо добиться наибольшей равномерности спектральной характеристики в каналах, что достигается подбором формирующей оптической системы и определением соответствия пар длина волны - номер канала ВОЖ. Алгоритм синтеза зондирующей оптической системы представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 - Алгоритм синтеза зондирующей оптической системы

Первоначально задаются длины волн, соответствующие характерным линиям поглощения исследуемого вещества, и количество каналов спектрофотометра, затем происходит выбор жгута, параметров источника и приемников излучения (МиИ(А),5пи(Л)), на основе которых определяется преобразовательная характеристика спектрального пропускания системы. Оценка систем проводится по остаточной неравномерности, описывающейся коэффициентом вариации распределения мощности в каналах и энергетической эффективности системы.

Проведен синтез оптической зондирующей системы спектрофотометра. Результаты показывают, что фокусирующая формирующая система позволяет

обеспечить равномерное распределение мощности в каналах с коэффициентом вариации распределения А = 0,16. Показано, что выбор соответствия между длиной волны излучения и номером канала также является необходимой ступенью синтеза зондирующей системы. На рисунке 3 приведено сравнение распределения мощности излучения в каналах спектрофотометра при радиальной укладке волокон в жгуте для формирующей оптической системы в случае наихудшего с точки зрения равномерности сигнала (слева) и наилучшего (справа) соответствия между длиной волны и положением канала.

А = 0,45; £Т(п)=16%;

(^тах ^т1п)/^тах 0,70

А = 0,16; £Т(п)=15%;

(^тах ^т1п) /'^тах 0,37

(а) (б)

Рисунок 3 - Сравнение распределения мощности в каналах формирующей оптической системы для наихудшего (а) и наилучшего (б) сочетания длина волны

и номера канала ВОЖ

Подбор соответствия между длиной волны излучения и каналов ВОЖ позволяет сократить коэффициент вариации распределения мощности с 0,45 до 0,16. Также в первом случае максимальное значение мощности канала с минимальным пропусканием составляет 0,30 от максимального. Для системы с наилучшим распределением данный параметр достигает значения 0,62. Размах значений максимальной мощности каналов спектрофотометра, где за единицу принимается мощность канала с наибольшим пропусканием, изменяется от 0,70 до 0,37.

В пятом разделе второй главы проведено исследование влияния давления в канале проточной кюветы на распределение мощности излучения в каналах волоконно-оптического жгута многоканального спектрофотометра. Схема нагружения окна проточной кюветы показана на рисунке 4, где Р -давление на верхнюю грань оптического элемента цилиндрической формы; серым цветом показаны стенки кюветы высокого давления.

Рисунок 4 - Схема нагружения проточной кюветы

С использованием ПО СошБо1 МиШрЬшгсБ проведен расчет деформации и определена картина механических напряжений окон кюветы, выполненных из сапфира, при влиянии повышенного давления в проточном канале проточной кюветы, достигающего значений до 100 МПа. На рисунке 5 показана картина деформации в окнах кюветы при давлении 100 МПа для проточной ячейки.

Рисунок 5 - Величина деформации сапфировых окон в проточной кювете

Полученные значения деформации и аналитически выведенная форма деформированной поверхности были использованы при моделировании оптической системы в ПО Zemax OpticStudio. Стороны окон и внутреннего канала определены по результатам расчета как асферические поверхности с коэффициентами, полученными при аппроксимации профиля деформации полиномом 4-й степени а4 г4 + а3 г3 + а2 г2 + а± г + а0, где коэффициенты ап линейно зависят от давления. Окна ячеек под давлением представляют собой два мениска с оптической силой, зависящей от показателя преломления образца в потоке. После прохождения кюветы параллельный пучок излучения приобретает волновую аберрацию, которая зависит от давления в кювете и показателя преломления образца. Определено, что зависимость волновой аберрации от значений приложенного давления имеет линейный характер.

Определено влияние давления и изменения показателя преломления на результирующее распределение интенсивности на торце приемного волоконного жгута. Полученные зависимости позволяют внести поправочный коэффициент

к(Р,п) для компенсации вышеописанных эффектов при обработке и анализе данных.

к(Р,п) = ШР_П/ШР=01П=1, где - мощность излучения при повышенном давлении и показателе

преломления образца п, Жр=0,п=1 - мощность излучения при отсутствии повышенного давления и пустой кювете.

Система спектрофотометра была исследована для афокальной и фокусирующей формирующих систем 7-канального и 16-канального волоконно-оптических жгутов. Результаты исследования представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Диапазоны поправочных коэффициентов для двух вариантов систем волоконно-оптических жгутов и типов формирующих систем

Жгут 1 Жгут 2

Количество каналов 7 16

Диаметр сердцевины, мкм 200 800

Диаметр оболочки, мкм 320 1000

Числовая апертура 0,22 0,22

3 Увеличение, х 10 2

3 2 ал у С ом ф рм < О ф Диаметр входного зрачка, мм 10 10

Диапазон коэффициентов к(Р,п) 0,28 [1,00; 1,28] 0,02 [1,00; 1,02]

О 3 о Фокусное расстояние, мм 50 50

рю Диаметр входного зрачка, мм 10 10

к ^ ср уи к я & в о ф Диапазон коэффициентов к(Р,п) 0,11 [1,00; 1,11] 0,01 [1,00; 1,01]

Показано, что в зависимости от увеличения и типа формирующей оптической системы, повышение давления в проточной кювете приводит к погрешности оптической мощности в оптоволоконном канале и, впоследствии, коэффициента

пропускания образца, до 28 %. При этом стандартное значение фотометрической точности проточных спектрофотометров составляет ±1,0%.

Для устранения названной погрешности в главе предложен алгоритм калибровки, заключающийся в определении коэффициента к(Р) путем изменения давления для пустой проточной ячейки. Полученный коэффициент включает в себя коррекцию влияния формы линзы и градиента показателя преломления на мощность излучения в волоконно-оптических каналах. Коэффициент к(п) измеряется при максимальном приложенном давлении путем смены образцов с известными показателями преломления. Значения матрицы коррекции коэффициентов могут быть аппроксимированы как линейной функцией. Для четырех рассмотренных систем результаты расчетной погрешности линейной аппроксимации приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты расчета погрешности линейной аппроксимации матрицы поправочных коэффициентов

Максимальная расчетная относительная погрешность аппроксимации А8 Жгут 1 Жгут 2

Афокальная формирующая ОС 0,6 % 0,02 %

Фокусирующая формирующая ОС 0,1 % 0,01%

В третьей главе диссертационного исследования рассмотрены методы синтеза рефрактометрических систем для задач проточного анализа. Показано, что при необходимости герметизации оптических элементов в проточных кюветах на оптические элементы накладываются ограничения по форме и габаритам. В кювете элементы фиксируются по периметру, доступ для размещения источника и приемника излучения доступен с торца элемента. Соответственно в системе рефрактометра механически ограничен максимальный угол распространения излучения. Для расширения диапазона углов в элементе используются более сложные призменные элементы с несколькими гранями, на которых происходит ПВО (см. рисунок 6). Однако на данный момент не существует метода синтеза таких элементов и не определена аналитическая зависимость между

геометрическими параметрами призменного элемента и диапазоном измеряемых показателей преломления.

ь

Рисунок 6 - Ход лучей в призменном элементе с тремя гранями

В первом разделе третьей главы рассматривается расчет допустимого диапазона углов пучка лучей, который может распространяться в призменном элементе в зависимости от его геометрии. Входные геометрические параметры: количество граней Ы, угол при основании призмы в, отношение высоты части крепления к основанию б/Ь. Результатами расчета являются следующие параметры: диапазон допустимых углов падения луча Аш и координаты падения лучей Хп. Сформулировано три условия, которые полностью описывают ограничения луча, распространяющегося внутри призменного элемента.

1) условие соблюдения углов ПВО sup(£¿) = £±, где /-номер грани призмы, отсчитываемый по ходу луча.

2) условие распространения лучей в призменном элементе: отраженный луч пересекает следующую грань элемента; луч не пропускает ни одной грани при распространении в элементе:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бобе Александра Сергеевна, 2024 год

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Guo X., Sivagurunathan К., Garcia J., et al. Laser photothermal radiometric instrumentation for fast in-line industrial steel hardness inspection and case depth measurements // Appl. Opt. 2009. № 7(48). P. C11-C23. https://doi.org/10.1364/AO.48.OOOCll

2. Jamison D.E.. Almond S.W. Systems and methods for real time monitoring of gas hydrate formation // United States Patent US9335438B2. Publ. May, 2016.

3. Zhang K., Lu H.-B., Shao L., et al. Experimental research on ammonia concentration detection with white light-emitting diodes (Контроль концентрации аммиака с использованием светодиода белого свечения) [на англ. яз.] // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 9. С. 93-100. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-09-93-100

Zhang К., Lu H.-В., Shao L., et al. Experimental research on ammonia concentration detection with white light-emitting diodes // J. Opt. Technol. 2021. V. 88. № 9. P. 548-552. https://doi.org/10.1364/JOT.88.000548

4. Liu C., Wang D.. Zheng H. In situ Raman spectroscopic study of barite as a pressure gauge using a hydro thermal diamond anvil cell // Appl. Spectrosc. 2016. № 2(70). P. 347-354. http://doi.org/10.1177/0003702815620556

5. Current R.W., Tilotta D.C. Determination of total petroleum hydrocarbons in soil by on-line supercritical fluid extraction-infrared spectroscopy using a fiberoptic transmission cell and a simple filter spectrometer // J. Chromatography A. 1997. № 1-2(785). P. 269277. http://doi.org/10.1016/S0021-9673(97)00466-4

6. Whyman R., Hunt K., Page R., et al. A high-pressure spectroscopic cell for FTIR measurements // J. Phys. E: Sci. Instruments. 2000. № 17.7. P. 559. http://doi. org/10.1088/0022-3735/17/7/005

7. Mullins O.C., Pomerantz A.E., Zuo J.Y., et al. Down-hole fluid analysis and asphaltene science for petroleum reservoir evaluation // Annual Review of Chemical and Biomolecular Eng. 2014. V. 5. P. 325-345. http://doi.org/10.1146/annurev-chembioeng-060713-035923

8. Yamate T., Mullins C. Permanent optical sensor for downhole fluid analysis systems// United States Patent US 6437326 Bl. Publ. Aug, 2002.

9. Mark H.L. High pressure optical cell for spectrometry // United States Patent US5949536. Publ. Sep, 1999.

10. Bobe A.. Pavlova A.. Polyakov V. In situ downhole fluid analysis systems using LED. laser-induced fluorescence, and uranine-traced drilling water // Appl.