Трехцветный светодиодный излучатель средней инфракрасной области спектра для измерения содержания воды в нефти и других негомогенных жидкостях

Заявляемая полезная модель относится к устройствам, излучающим некогерентные электромагнитные волны в среднем инфракрасном диапазоне (1.6-5.0 мкм), и может быть использована для оптической спектроскопии многокомпонентных жидкостей в диапазоне максимальной интенсивности характеристических линий поглощения химических веществ. Основными сферами применения являются измерение содержания воды в сырой нефти, нефтепродуктах и других негомогенных жидкостях. Задачей заявляемой полезной модели является реализация компактного трехцветного высокоэффективного светодиодного излучателя средней ИК области спектра с возможностью температурной стабилизации для измерения содержания воды в нефти и других негомогенных жидкостях излучения. Указанная задача решается посредством разработки трехцветного светодиода со встроенным термохолодильником и терморезистором. Изделие включает в себя три светодиодных чипа (два измерительных и один опорный) с максимумами излучения на длинах волн максимального поглощения воды (1940 нм), максимального поглощения нефти (1650 нм), минимального и равного поглощения воды и нефти (2200 нм). Чипы могут быть изготовлены на основе гетероструктур, выращиваемых на подложках GaSb с четверным твердым раствором GaInAsSb (9% индия), AlGaAsSb (3% аллюминия), GaInAsSb (23% индия), в качестве активной области и широкозонным ограничительным слоем AlGaAsSb (64% аллюминия). Реализация трехканального (1940 нм, 1650 нм и 2200 нм) термостабилизированного излучателя средней ИК области спектра позволит разработчикам аппаратуры для нефтегазовой и химической промышленности существенно улучшить компактность, надежность, срок службы приборов для анализа содержания воды в нефти, нефтепродуктах и других негомогенных жидкостях в сочетании с высокой скоростью проведения измерений.

Полезная модель относится к устройствам, излучающим некогерентные электромагнитные волны в среднем инфракрасном диапазоне (1.6-5.0 мкм), и может быть использована для оптической спектроскопии многокомпонентных жидкостей в диапазоне максимальной интенсивности характеристических линий поглощения химических веществ. Основными сферами применения являются измерение содержания воды в сырой нефти, нефтепродуктах и других негомогенных жидкостях.

Существующие методы измерения влагосодержания в сырой нефти и нефтепродуктах основаны на различных физических и химических принципах. К сепарационным методам контроля обводненности сырой нефти относятся методы, основанные на гравитационном отстаивании, центрифугировании, тепловой и холодовой обработках, микроволновой и ультразвуковой сепарации, сепарации под воздействием постоянного электрического поля. Два из наиболее распространенных на данный момент методах являются азеотропная дистилляция и центрифугирование (сепарация за счет центробежных сил). При методе азеотропной дистилляции (метод Дина-Старка) (ГОСТ 2477-65) пробу нефти заливают в колбу и к ней добавляют осушенный растворитель - обычно бензин или толуол. В колбу вставляют водоловушку с обратным холодильником. Все это устанавливают на нагреватель. В процессе нагревания вода в парообразном состоянии вместе с растворителем попадает в обратный холодильник. В нем пары воды и растворителя конденсируются и стекают в ловушку, где и разделяются на два слоя за счет разности плотностей. Избыток растворителя возвращается из ловушки в колбу по трубке. Перегонку продолжают до тех пор, пока уровень воды в ловушке не перестанет изменяться. Этот метод имеет отрицательную систематическую погрешность, приводящую к занижению результата измерения и обусловленную частичной потерей влаги на стенках холодильника и растворением ее в бензине. При влажности 0.1-1% эта погрешность может достигать 7%. Точность метода может быть повышена путем увеличения объема пробы нефти, в которой определяется влагосодержание. Однако такой прием приводит к увеличению продолжительности анализа, который и без того может достигать 1-1.5 ч. Метод центрифугирования основывается на сепарации многокомпонентной жидкости в соответствии с разными плотностями отдельных компонентов при вращении пробы на большой скорости. Продолжительность анализа для данного метода меньше, чем при методе азеотропной дистилляции (порядка 20-30 минут), но точность существенно хуже (погрешность порядка 10%).

В качестве альтернативного метода в настоящее время все чаще применяется спектроскопия ближнего ИК диапазона. Известно, что нефть и продукты ее переработки представляют сложную смесь углеводородов самых различных классов, имеющих полосы поглощения в ближней ИК области спектра. Исследования спектров поглощения дают возможность определить содержание воды и других веществ в нефти и нефтепродуктах. Оборудование для ИК-анализа нефтяных смесей на основе ИК-спектрометров в настоящее время выпускают немецкая компания Bruker, израильская компания PetroMetrix и ряд других фирм. Однако такое оборудование имеет большие размеры, высокую стоимость, процесс анализа достаточно сложен и поэтому применяется только в специальных лабораториях.

На данный момент отсутствует возможность проведения быстрых и достаточно точных измерении содержания воды в сырой нефти с помощью портативного прибора на скважинах и на участках первичной переработки нефти.

Задачей заявляемого технического решения являлось создание нового трехцветного светодиодного излучателя средней ИК области спектра со встроенным термохолодильником. Такой компактный излучатель (диаметр 9 мм) является ключевым элементом для создания портативных ИК анализаторов содержания воды в нефти, нефтепродуктах и других негомогенных жидкостях. В данном случае необходимо одновременно контролировать характеристическое оптическое поглощение воды и смеси углеводородов. Для негомогенных жидкостей ослабление сигнала при прохождении через измеряемую среду также сильно зависит от оптического рассеяния на границах двух фаз эмульсии вода - нефть. Поэтому оптимальная измерительная схема должна содержать три канала: измерительный для воды (на длине волны максимального поглощения воды), измерительный для нефти (на длине волны максимального поглощения нефти) и опорный (на длине волны, где поглощение воды и нефти близки по значению и минимальны).

С помощью серии экспериментов (фиг.1) были выбраны светодиоды для трех каналов: измерительный для воды - LED 19 (максимум спектра излучения на 1.94 мкм), измерительный для нефти - LED 16 (максимум спектра излучения на 1.65 мкм) и опорный - LED22 (максимум спектра излучения на 2.20 мкм). На результаты измерения содержания воды в нефти и других жидких средах с помощью оптического ИК анализа оказывает существенное влияние изменение температуры. Поэтому в конструкцию трехцветного светодиодного излучателя включен также миниатюрный термохолодильиик и терморезистор (фиг.2). Измерение дифференциальной разницы отношения сигналов от двух измерительных и опорного источника обеспечивает стабильность результатов при изменении основных внешных факторов.

Ключевым элементом трехцветного светодиодного модуля являются светодиодные гетероструктуры на основе узкозонных полупроводниковых материалов А³B⁵. Длина волны излучения светодиода определяется шириной запрещенной зоны, то есть составом твердого раствора в активной области. Для светодиода с максимумом излучения на 1650 нм в активной области применяется четверной твердый раствор AlGaAsSb с содержанием аллюминия 3%. Для светодиода с максимумом излучения на 1940 нм в активной области применяется четверной твердый раствор GaInAsSb с содержанием индия 9%. Для светодиода с максимумом излучения на 2200 нм в активной области применяется четверной твердый раствор GaInAsSb с содержанием индия 19%. Во всех случаях широкозонный твердый раствор AlGaAsSb с содержанием алюминия 64% применяется в качестве электронного ограничения. Структуры выращиваются на подложках GaSb методом жидкофазной эпитаксии (LPE) или газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (MOCVD).

Из гетероструктур с помощью фотолитографии формируются светодиодные чипы размером от 0.3×0.3 мм до 1.0×1.0 мм. Затем чип монтируется на керамической или кремниевой подложке размером от 0.8×0.8 мм до 2.0×2.0 мм.

Трехцветный светодиодный излучатель для измерения воды в нефти представлен на фиг.2.

Светодиодный излучатель включает:

1 - измерительный светодиодный чип для нефти LED 16

2 - измерительный светодиодный чип для воды LED 19

3 - опорный светодиодный чип LED22

4 - параболический рефлектор

5 - керамические подложки

6 - терморезистор

7 - термохолодильник

8 - окно из кварцевого стекла КИ

9 - корпус ТО-39.

Модуль монтируется в 9 мм стандартном корпусе ТО-39 с 8 выводами (9). Встраиваемый в корпус термохолодильник (элемент Пелтье) размером 3×3 мм (7) обеспечивает температурный перепад между горячим и холодным концом без нагрузки минимум 60 градусов. К холодному концу термохолодильника приклеивается температурный сенсор - терморезистор (6). На свободную поверхность холодного конца термохолодильника приклеиваются три уже смонтированных на подложках светодиодных чипа, излучающих на длинах волн 1650 нм (LED16), 1940 нм (LED19) и 2200 нм (LED22) (1, 2 и 3). Аноды и катоды светодиодов связываются золотыми проволочками с четырьмя внешними выводами 1-3, 6 корпуса TO-39 (фиг.3). Выводы термохолодильника и терморезистора связываются с внешними выводами 4, 5, 7, 8 корпуса TO-39. К корпусу приваривается параболический рефлектор с окном диаметром 15 мм для сужения диаграммы направленности излучателя.

Импульсное питание трех светодиодных каналов излучателя, управление и стабилизация температуры осуществляется при помощи электронной схемы. Электронная схема не является частью заявляемой конструкции, возможны различные варианты реализации электронной схемы.

Измерение содержания воды в нефти и нефтепродуктах с использованием трехканального излучателя производится следующим образом.

Сначала необходимо включить температурную стабилизацию трехцветного светодиодного излучателя. Температурная стабилизация позволяет обеспечить точность измерений в широком диапазоне температур внешней среды (-20÷+30°С). Электронная схема осуществляет выход на нужную температуру и стабилизацию в автоматическом режиме. Затем включается импульсное питание измерительных и опорного каналов, записываются в память процессора значения трех сигналов при прохождении лучей в отсутствии исследуемой пробы S₁₆⁰ - сигнал светодиодного чипа LED16, S₁₉⁰ - LED19, S₂₂⁰ - LED22. Таким образом, используя приведенные ниже преобразования сигналов, можно устранить ошибки, связанные с возможным изменением мощности светодиодов или других параметров прибора или внешней среды с течением времени. После этого излучение пропускается через исследуемую пробу, при этом в память процессора заносятся измеренные сигналы S₁₆^и (LED16), S₁₉^и (LED19), S₂₂^и (LED22) трех каналов. Измеренные сигналы обрабатываются, рассчитываются относительные сигналы S₁₆=S₁₆⁰/S₁₆^и, S₁₉=S₁₉⁰/S₁₉^и, S₂₂=S₂₂⁰/S₂₂^и, а также разность отношений S=S₁₆ /S₂₂-S₁₉/S₂₂. Затем, используя известную калибровочную зависимость концентрации воды С от разности отношений S С(%)=f(S), определяется процентное содержание воды в исследуемой пробе.

Опытный образец заявляемого устройства был изготовлен и испытан. Данный трехцветный светодиодный излучатель со встроенным термохолодильником для средней ИК области спектра характеризуется компактностью и единством конструкции. В 9 мм корпусе размере размещены три разных светодиодных излучателя (два измерительных и опорный), термохолодильник и терморезистор. Такая конструкция устройства не имеет прямых аналогов в средней ИК области спектра, в существующих приборах для реализации двух-, трехканальной схемы на основе тепловых или переизлучающих источников используются существенно более габаритные оптические системы. Малое расстояние между чипами обеспечивает одинаковые условия работы для трех каналов, что является важным преимуществом данной конструкции по сравнению с обычными трехканальными схемами. Максимум длины волны излучения и полуширина спектра излучения определяется параметрами самой гетероструктуры, а не внешним оптическим фильтром. Время жизни светодиодов 80000-100000 часов существенно превышает времени жизни других типов источников ИК излучения. Известный процесс медленной деградации мощности полупроводниковых светодиодов происходит в равной степени для трех одинаковых по типу структуры чипов, что обеспечивает стабильность дифференциального сигнала на протяжении 8-10 лет. Конструкция позволяет выбрать общую температуру для трех излучателей в диапазоне -10÷+20°С и поддерживать ее постоянно с минимальными затратами электрического питания. Малый размер и высокая эффективность термохолодильника позволяют поддерживать температуру близкую к комнатной при постоянном токе порядка 10 мА. Трехцветный светодиодный модуль со встроенным термохолодильником для средней ИК области спектра соответствует требованиям портативного оптического анализа.

Положительный эффект заявляемой полезной модели по сравнению с приборами, определяющими концентрацию воды в нефти и нефтепродуктах с помощью методов азеотропной дистилляции (метод Дина-Старка), центрифугирования и других физических методов, используемых на данный момент, заключается прежде всего в скорости и простоте проведения измерений. По сравнению с применяемыми на данный момент методами ИК спектроскопии положительный эффект заявляемой полезной модели заключается в низкой стоимости, портативных размерах и простоте проведения измерений. По сравнению с тепловыми источниками и источниками на основе переизлучения для средней ИК области, положительный эффект состоит в увеличенном сроке службы непрерывной работы (80000-100000 часов), высоком быстродействии (время возрастания и спада менее 50 нс), отсутствии необходимости использования дополнительных оптических фильтров. Наличие трех каналов излучения позволяет не только одновременно контролировать оптическое поглощение воды и смеси углеводородов, но и учитывать оптическое рассеяние на границе двух фаз эмульсии вода - нефть, характерное для негомогенных жидкостей. Гибкость технологии гетероэпитаксии и миниатюрные размеры светодиодных чипов позволили реализовать уникальную конструкцию, где в одном стандартном 9 мм корпусе совмещены термохолодильник, терморезистор и три излучателя. Для рассматриваемых аналогов, реализация такой миниатюрной конструкции в принципе невозможна.

Трехцветный светодиодный излучатель средней инфракрасной области спектра для измерения содержания воды в нефти и других негомогенных жидкостях, состоящий из корпуса ТО-39 с восемью выводами, в который встроен термохолодильник, к холодному концу которого приклеен терморезистор и три светодиодных чипа: измерительный светодиодный чип для нефти LED16, измерительный светодиодный чип для воды LED19 и опорный светодиодный чип LED22, аноды и катоды светодиодных чипов связаны золотыми проволоками с четырьмя внешними выводами корпуса ТО-39: первым, вторым, третьим, шестым; выводы термохолодильника и терморезистора связаны с четвертым, пятым, седьмым и восьмым внешними выводами корпуса ТО-39, к которому приварен параболический рефлектор с окном из кварцевого стекла КИ.