ПОЛЯРИМЕТР ПОГРУЖНОЙ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ДОЛИ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ В СВЕТЛЫХ НЕФТЕПРОДУКТАХ

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а точнее - к поляризационным приборам, измеряющим угол поворота плоскости поляризации света, прошедшего через вещество, обладающее естественной или наведенной оптической активностью. Предлагается поляриметр погружной для контроля доли ароматических углеводородов в светлых нефтепродуктах как в процессе их производства, так в процессе их реализации или хранения на нефтебазах. Поляриметр измеряет угол поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света, прошедшего вещество, на которое действует продольное магнитное поле (эффект Фарадея) [1].

Вещество, помещенное в продольное магнитное поле, поворачивает плоскость поляризации света, распространяющегося вдоль вектора напряженности магнитного поля , на угол

где: V - постоянная Вердэ (удельное магнитное вращение в веществе [мин./э см]);

- напряженность магнитного поля в [эрстедах];

L - длина пути света в веществе в [см];

β - угол между направлением лучей света и направлением вектора напряженности магнитного поля;

- постоянный конструктивный коэффициент.

Из уравнения (1) видно, что при постоянном коэффициенте К угол поворота плоскости поляризации света α пропорционален постоянной Вердэ исследуемого вещества.

Таким образом, по найденному углу поворота плоскости поляризации α можно идентифицировать анализируемое вещество или найти концентрацию растворенного вещества в растворе, если заведомо известна разница постоянной Вердэ растворителя и растворенного вещества.

Так, например, по известным заранее величинам постоянных Вердэ гептана (V_геп=0,0125 мин/э см) и толуола (V_тол=0,0269 мин/э см) можно найти концентрацию С% толуола, растворенного в гептане

где V_x - измеренная величина постоянной Вердэ смеси.

Учитывая линейную зависимость угла поворота плоскости поляризации α и постоянной Вердэ V (1) можно записать:

где: α_x - угол поворота плоскости поляризации света, прошедшего путь L в исследуемом растворе при напряженности магнитного поля Hcosβ;

α_геп, α_тол - углы поворота плоскости поляризации света гептана и толуола при тех же условиях, то есть, при одинаковых , L и β.

Известен способ определения суммарного содержания ароматических углеводородов в нефтяных фракциях и светлых нефтепродуктах [2]. Согласно этому способу светлые нефтепродукты представляют в виде двух компонент: парафино-нафтеновых углеводородов (растворитель) и ароматических углеводородов (растворенное вещество).

Ароматические углеводороды существенно отличаются по своим физическим свойствам от парафино-нафтеновых составляющих топлив, например, постоянной Коттона-Мутона, плотностью, показателем преломления, дисперсией, в том числе и постоянной Вердэ.

Поэтому, пользуясь методом группового анализа для светлых нефтепродуктов, формулу (3) можно записать в виде:

где: α_х - измеренный угол поворота плоскости поляризации исследуемого нефтепродукта при ;

α_пн, α_ар - усредненные значения углов поворота плоскости поляризации парафино-нафтеновых и соответственно, ароматических составляющих при том же конструктивном коэффициенте К.

Известно, что измерение угла а поворота плоскость поляризации линейно поляризованного света, прошедшего через вещество, находящееся в продольном магнитном поле, можно производить с помощью простых визуальных полярископов [1]. Однако, визуальные полярископы являются грубыми приборами, их погрешность измерений угла α находится в пределах от ±0,05° до 0,5°.

Существует множество конструкций фотоэлектрических цифровых поляриметров и сахариметров, предназначенных для измерения угла поворота плоскости поляризации света, прошедшего через оптически активное вещество, например, раствор сахарозы, глюкозы, мальтозы, фруктозы и тому подобное. Их погрешность измерения угла α существенно ниже и может достигать величин от ±0,005° до ±0,001°. Так, например, в фотоэлектрическом (цифровом) поляриметре измерения сахара (глюкозы) в моче [3] применен модуляционный метод измерения состояния поляризации света, проходящего через кювету с анализируемым раствором, что позволяет снизить погрешность регистрации угла поворота плоскости поляризации до величины ±0,002°.

По совокупности существенных признаков наиболее близким аналогом по отношению к предлагаемому поляриметру является устройство для измерения угла оптического вращения, вызванного оптически активным веществом по патенту США №5.168.326 [4].

Известное устройство содержит источник монохроматического света 1 (фиг. 1), первый простой линейный поляризатор 2, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостями пропускания установленного за ним второго поляризатора выполненного в виде призмы Волластона 3, установленную между поляризаторами 2, 3 кювету 4, с первым 5 и вторым 6 защитными окнами. Кювета 4 наполнена исследуемым веществом 7. В раздвоенных призмой 3 пучках света установлены две собирающие линзы 8, 9, в фокальных плоскостях которых установлены фотоприемники 10 и 11. Фотоприемники 10 и 11 подсоединены к линейным усилителям 12 и 13, которые подключены к электрическому блоку 14 с индикатором 15.

Известное устройство работает следующим образом. Монохроматический пучок света от источника 1 коллимируется, проходит поляризатор 2 и становится линейно поляризованным, азимут поляризации которого составляет угол ±45° по отношению к плоскостям пропускания лучей поляризатора 3. Линейно поляризованный пучок света после поляризатора 2 проходит кювету 4 с исследуемым веществом 7 и призму Волластона 3. Призма Волластона 3 разделяет пучок света на два линейно поляризованные пучка, плоскости поляризации которых взаимно перпендикулярны. Далее разделенные призмой 3 пучки света интенсивностью I₁ и I₂ линзами 8 и 9 собираются на чувствительных элементах фотоприемников 10 и 11.

Электрические сигналы U₁ и U₂ фотоприемников 10, 11 усиливаются линейными усилителями 12, 13 и подаются в электронный блок 14.

В электронном блоке 14 происходит вычисление разности сигналов U₁-U₂, суммы сигналов U₁+U₂ и их отношение

которое пропорционально измеряемому углу поворота плоскости поляризации света α, произошедшему в результате прохождения линейно поляризованного света через оптически активное вещество 7.

Результат измерений угла α индицируется индикатором 15. Если исследуемое вещество 7 не обладает оптической активностью, то после поляризатора 2 линейно поляризованный свет проходит вещество 7 без изменения азимута линейной поляризации и после призмы Волластона 3 разделяется на два равных по интенсивности пучка света

где I₀ - интенсивность света, падающего на поляризатор 2;

τ - коэффициент пропускания оптического тракта.

В этом случае потенциалы U₁ и U₂ равны, электронный блок 14 дает информацию об отношении Q=0 и на цифровом индикаторе 15 отображается нулевой результат измерений угла α.

Если исследуемое вещество 7 обладает оптической активностью, то на выходе кюветы 4 азимут линейной поляризации изменяется на угол а и интенсивности света I₁ и I₂ изменяются согласно закону Малюса:

В этом случае разность интенсивностей света будет равна

а их сумма

Потенциалы U₁ и U₂ на выходах усилителей 12, 13 пропорциональны интенсивностям света I₁ и I₂, поэтому отношение сигналов

Электронный блок 14 дает информацию о измеренном угле α, что индицируется на индикаторе 15.

Известное устройство по патенту США №5.168.326 позволяет выполнять точные измерения угла поворота плоскости поляризации света, прошедшего через вещество, обладающее естественной оптической активностью, например, через раствор сахара. Однако, это устройство имеет ряд существенных недостатков. Во-первых оно не содержит признаков, обеспечивающих возможность измерения угла поворота плоскости поляризации света, наведенного продольным магнитным полем, не может обеспечивать измерение постоянной Вердэ и, следовательно, не пригодно для определения доли ароматических углеводородов в светлых нефтепродуктах. Во-вторых, в известном устройстве по патенту США №5.168.326 обеспечивается только однократное прохождение линейно поляризованного пучка света через испытуемое вещество 7. Это означает, что если кювету 4 с веществом 7 поместить в продольное магнитное поле, а вещество 7 обладает естественной оптической активностью, то в результате получим сумму эффектов, то есть, на эффект Фарадея наложится не контролируемый эффект естественной оптической активности. Это приводит к недостоверным результатам измеренных значений постоянной Вердэ и доли ароматических углеводородов в светлых нефтепродуктах. В-третьих, конструкция известного устройства по патенту США №5.168.326 не содержит признаков, позволяющих его погружать в исследуемые светлые нефтепродукты.

Предлагается новое устройство, свободное от перечисленных недостатков.

Поляриметр погружной содержит источник монохроматического, коллимированного пучка, света и установленные по ходу лучей света первый линейный поляризатор, второй поляризатор, выполненный в виде призмы Волластона. Плоскость пропускания первого поляризатора составляет угол ±45° с плоскостями пропускания второго поляризатора. Между поляризаторами установлена кювета с первым и вторым защитными окнами, которая наполнена исследуемым веществом. После призмы Волластона в разделенных пучках света установлены две собирающие линзы, в фокальных плоскостях которых установлены два фотоприемника. Фотоприемники связаны с двумя линейными усилителями, которые соединены с электронным блоком с индикатором. Предлагаемый поляриметр имеет следующие отличительные признаки. Кювета выполнена в виде тонкостенной трубы с фланцем из диамагнитного и нейтрального к нефтепродуктам материала. Непосредственно возле защитных окон в трубе кюветы выполнены прямоугольные отверстия. На втором защитном окне с противоположной от источника света стороне нанесено зеркальное покрытие. На кювете закреплен постоянный магнит в виде отрезка цилиндрической трубы из материала с большой коэрцитивной силой, а направление напряженности магнитного поля аксиальное, то есть, вдоль оси цилиндрической трубы. Наружные поверхности постоянного магнита защищены диамагнитным материалом.

Угол разведения лучей призмой Волластона 2β удовлетворяет условию

где: 2β - угол раздвоения лучей призмой Волластона;

А - ширина призмы Волластона;

D - диаметр пучка света;

L - расстояние от призмы Волластона до зеркала.

На фиг. 1 показана структурная схема известного устройства по патенту США №5.168.326.

На фиг. 2 показана структурная схема предлагаемого поляриметра погружного типа для контроля доли ароматических углеводородов в светлых нефтепродуктах.

На фиг. 3 показана конструкция предлагаемого поляриметра в сборе.

Предлагаемый поляриметр погружной для контроля доли ароматических углеводородов содержит источник монохроматического, коллимированного пучка света 1 (фиг. 2), например, в виде лазерного модуля и установленные по ходу лучей первый простой линейный поляризатор 2, второй линейный поляризатор 3, выполненный в виде призмы Волластона. Плоскость пропускания первого поляризатора составляет угол ±45° с плоскостями поляризации лучей, выходящих из второго поляризатора 3. После поляризатора 3 установлена кювета 4, которая выполнена в виде тонкостенной трубы с фланцем из диамагнитного и нейтрального к нефтепродуктам материала. Кювета 4 содержит первое 5 и второе 6 защитные окна из оптического стекла и заполнена исследуемым веществом 7, например моторным топливом. На втором защитном окне 6 с противоположной от источника света стороне нанесено зеркальное покрытие. В обоих разделенных призмой Волластона 3 пучках света установлены собирающие свет линзы 8 и 9, в фокальных плоскостях которых закреплены чувствительные слои фотоприемников 10, 11. Фотоприемники 10 и 11 подключены к линейным усилителям соответственно 12, 13, которые, в свою очередь, подключены к электронному блоку 14, содержащему индикатор 15. В трубе кюветы 4 непосредственно после защитного окна 5 и перед защитным окном 6 выполнены прямоугольные отверстия 16, 17. (фиг. 3) На трубе кюветы 4 между отверстиями 16 и 17 закреплен постоянный магнит в виде набора отрезков цилиндрических труб 18 из материала с большой коэрцитивной силой, например, Nd₂Fe₁₄B и с аксиальным направлением напряженности магнитного поля. Наружные поверхности постоянного магнита 18 защищены диамагнитным материалом 19, торцы которого загерметизированы компаундом 20.

Конструктивно предлагаемый поляриметр погружной для контроля доли ароматических углеводородов в светлых нефтепродуктах состоит из четырех основных частей (фиг. 2, фиг. 3):

- погружная часть поляриметра, которая содержит трубу кюветы 4 с закрепленными на ней защитными окнами 5, 6, постоянным магнитом 18 и призмой Волластона 3;

- резервуар 21 с исследуемым веществом 7;

- наружная часть, которая содержит корпус 22, в котором закреплены источник света 1, поляризатор 2, линзы 8, 9, фотоприемники 10, 11;

- электронная часть, в которой закреплены усилители 12, 13, электронный блок 14 и индикатор результатов измерений 15.

Фланцы кюветы 4 и корпуса 22 по диаметру больше диаметра горловины резервуара 21, роль которого в лабораторных условиях может выполнять обыкновенный стакан, (фиг. 3) а в технологических линиях - фрагмент магистрального трубопровода, по которому движется светлый нефтепродукт.

Предлагаемый поляриметр погружной для контроля доли ароматических углеводородов в светлых нефтепродуктах работает следующим образом.

Монохроматический, коллимированный и частично поляризованный пучок света от лазерного модуля 1 (фиг. 2) проходит поляризатор 2, становится линейно поляризованным с азимутом поляризации +45° (или -45°) по отношению к плоскостям пропускания призмы Волластона 3, разделяется призмой 2 на два одинаковые по интенсивности пучка света с взаимно ортогональными азимутами поляризации, которые проходят кювету 4 с исследуемым веществом 7, отражаются от зеркала 6, повторно проходят исследуемое вещество 7, поляризатор 2, собираются линзами 8, 9 и воспринимаются фотоприемниками 10 и 11.

Под воздействием продольного (аксиального) магнитного поля постоянного магнита 18 в исследуемом веществе 7 происходит эффект поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света в каждом пучке на угол:

где: - вектор напряженности продольного магнитного поля;

V - постоянная Вердэ исследуемого вещества 7;

2L - путь, пройденный светом в исследуемом веществе в кювете 4 длинной L.

Зависимость интенсивности света I₁ и I₂, воспринимаемых фотоприемниками 10, 11, от угла поворота плоскости поляризации а исследуемым веществом 7 можно найти по первым параметрам векторов Стокса и после перемножения матриц Мюллера, характеризующих воздействие каждого элемента оптики на поляризованный свет согласно уравнению:

где: - вектор Стокса, характеризующий свет от источника 1;

Частично поляризованный свет от источника 1 можно представить вектором Стокса

где: I₀ - интенсивность света изучаемая источником 1;

р - степень поляризации света от источника 1;

γ - азимут преимущественной частичной поляризации.

Азимут γ преимущественной поляризации света I₀ от источника, выполненного в виде лазерного модуля, может изменяться при изменениях температуры и тока питания. Пропуская такой свет через линейный поляризатор 2 происходит стабилизация состояния поляризации света, падающего на призму Волластона 3.

'Гак, умножая матрицу на вектор получаем новый вектор

который характеризуется стабильным азимутом линейной поляризации 45° и не зависит от изменения азимута преимущественной поляризации γ и степени поляризации р источника света 1, так как γ и р влияют только на величину интенсивности света, а не на состояние поляризации падающего на призму Волластона 3 света.

После призмы Волластона 3 выходят два разделенные на угол 2β пучки света, которые можно представить векторами

то есть один пучок света линейно поляризован в горизонтальной плоскости (знак «плюс»), а другой - в вертикальной плоскости (знак «минус»).

Далее после двукратного прохождения линейно поляризованных пучков света с взаимно ортогональными плоскостями поляризации через исследуемое вещество 7 получаем пучки света, которые представляются векторами Стокса

а после прохождения поляризатора 2 векторами Стокса

Фотоприемники 10, 11 воспринимают интенсивности пучков света I₁ и I₂, которые характеризуются первыми параметрами вектора Стокса, то есть:

Усилители 12, 13 работают в линейном режиме, поэтому на их выходах сигналы в виде потенциалов сигналов U₁ и U₂ пропорциональны интенсивностям света I₁ и I₂.

В электронном блоке 14 вычисляются: отношение разности сигналов U₁ и U₂ к сумме этих сигналов

искомый угол поворота плоскости поляризации

а также процентное содержание ароматических углеводородов в светлых нефтепродуктах

где: α_х - измеренный угол поворота плоскости поляризации света исследуемым веществом 7 при напряженности поля магнита 18 и длине пути 2L, пройденном светом в кювете 4 длиной L;

α_ар, α_ПН - априори известные усредненные значения углов поворота плоскости поляризации света ароматических и парафино-нафтеновых составляющих, измеренных при тех же значениях и 2L;

К_Т - тарировочный коэффициент, зависящий от типа нефтепродукта.

Для получения достоверных результатов измерений доли ароматических углеводородов в светлых нефтепродуктах предлагаемый поляриметр тарируется по известным эталонам. В качестве эталонов можно использовать химически чистый н-гептан - типичный представитель парафиновых углеводородов (постоянная Вердэ V_геп=0,0125 мин/э см), химически чистый толуол (постоянная Вердэ V_тол=0,0269 мин/э см) - типичный представитель ароматических углеводородов, а также 50%-й раствор толуола в н-гептане (постоянная Вердэ V_гт=0,0197 мин/э см).

Суть тарировки в том, что после сборки поляриметра в его кювету 4, т.е. в стакан 21 (фиг. 2) заливают последовательно химически чистые н-гептан, и толуол. При этом каждый раз значения измеренных углов α_тол, α_геп в качестве постоянных величин заносятся в процессор электронного блока 14. С целью проверки правильности занесения информации о α_тол и α_геп в кювету 4 (в стакан 21) заливают 50%-й раствор толуола в н-гептане. При этом показания индикатора 15 должны быть

В дальнейшем в процессе эксплуатации поляриметра значения α_тол и α_геп сохраняются.

Тарировочный коэффициент К, устанавливают экспериментально по эталонным образцам конкретной группы прозрачных нефтепродуктов. Следовательно, перед началом измерений доли ароматических углеводородов оператор с помощью меню выбирает режим работы «БЕНЗИН», «КЕРОСИН», «ДИЗТОПЛИВО» и т.д.

Основными преимуществами предлагаемого устройства являются следующие:

Во-первых, предлагаемый поляриметр погружной, то есть его кювета 4 (фиг. 2, фиг. 3) находится в исследуемом светлом нефтепродукте 7, имеет отверстия 16, 17 для циркуляции продукта. Этим достигается определенная универсальность его использования. Например, поляриметр может использоваться в лабораториях, когда в качестве резервуара 21 используется обычный стакан, в магистральных трубопроводах, когда требуется непрерывный контроль технологического процесса компаундирования топлив или в резервуарах, например, в баках транспортных средств, в автоцистернах, перевозимое моторное топливо, в цистернах нефтехранилищ, и т.д.

Во-вторых, малые габариты и простота конструкции предлагаемого поляриметра позволяют использовать его в качестве датчика, контролирующего долю ароматических углеводородов в прозрачных нефтепродуктах.

В-третьих, использование постоянного магнита в виде набора цилиндрических труб 18 из материала с большой коэрцитивной силой позволяет выполнять погружную часть поляриметра небольшого объема, что приводит к вытеснению малого объема исследуемого нефтепродукта 7 из резервуара (стакана) 21.

В-четвертых, наличие малогабаритного мощного постоянного магнита 18 позволяет снизить энергопотребление до рекордного уровня (менее 5 Вт), а в качестве источника питания использовать миниатюрные аккумуляторы или батарейки.

Предлагаемый поляриметр для контроля доли ароматических углеводородов в светлых нефтепродуктах может найти широкое применение в лабораториях нефтеперерабатывающих заводов, нефтебаз контролирующих организаций, ВУЗов и НИИ.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Волкова Е.А. Поляризационные измерения. Издательство СТАНДАРТОВ, М. 1974, с 57.

2. Патент РФ №2163717.

3. Патент РФ №2029258.

4. Патент США №5.168.326.