一种检测水中原油浓度的光声脉冲仪器本科毕业设计.docxVIP

一种检测水中原油浓度的光声脉冲仪器 一、 简介 在近海的石油和天然气的生产中，有相当数量的水需要被回收。产生的水主 要有两个来源，从水库汇集和在生产过程中注入的海水中获得的地层水，它包含了 各种不同的化学物质，包括能够跟踪的原油。 在英国北海部门，自 1988 年，产生的水在容量上已超过了原油。在 1996 年，在与原油相关的生产中， 15.9 百万吨中就有 206 百万吨的水产出。目前，按 照统一奥斯陆和巴黎委员会的统一规定，立法限制了在排出水中，每月平均分散油 浓度为 40 毫克/升，但是通常只有 4%的样本超过 100 毫克/升。 传统上， 该浓度采 用劳动密集型溶剂萃取和红外分析技术测量， 利用有害溶剂如氟利昂和四氯化碳。 虽然为了这个应用，也有其他的一些技术被发明出来，但是他们都不满足近海工业 技术上和作业上的要求。为此，业内人士为了满足作业上的需求和相关法规，已经 需要新的技术来创新。 光声脉冲技术应运而生。 这项技术的应用已经在一些领域得到了广泛的宣传 报道，如半导体研究领域，液体的物理形成过程， 痕量气体检测和在液体中的分析 检测。光声脉冲技术在有机组分的检测的潜力已经被证实了。 紧接着前人的工作， 一个监测生产水中原油的模型已经研发出来了。 二、脉冲光声时代 当液体吸收激光脉冲时，非辐射的能量可以产生迅速放宽地方加热的光学相 互作用区。在原油中，在近红外波长激励后，热弛豫过程是主导地位相对于其他可 能的结果，如：荧光，它占据在可见光和紫外线激发波段。因此在近红外的区域， 光声效应的效率并没有很明显的被荧光影响。通常情况下，铅的材料热弹性扩充紧 跟在无辐射弛豫之后，并会导致一个声音脉冲的传播效应。在一个例子中， 热扩散 长度在入射的光学脉冲作用下同光学作用的几何区域相比是较小的。 由此产生的声 （2） 脉冲同边界条件的样本具有独立性，也打开了在一些单元领域的应用。不同的研究 人员创立不同的激光脉冲源体系，在后来都被证明是大概差不多的。在弱光的吸收 情况中，两端声的压力可以表示成离光轴中心的距离 r 的函数： （1） 图 1 原型行测头 是入射的光能， 是光学吸收系数，β 是体积热膨胀系数,v 是声速， 是某特定压力下的热值， k 是系统常数， 是有效的时间参数。后者涉及的光学参数把光学脉冲的宽度 和整个光学声波时差束半径 R，其中 =R/v，例如： . 在现在的研究中典型的值是 =200ns，R=500um，v=1482m/s。 对透射光谱的光脉冲在检测水中原油的优势是主要基于光声反应中上述物理 参数的贡献。特别是，β 值越大， cp 越小，就会增强反应，就能够检测到体积上 百万分之几的部分（ppm）。虽然现在的用于检测变化的原油含量的系统靠一个单 一的激光源，光谱信息可以通过依赖脉冲光声级响应的光吸收系数来维持，尽管在 强光的吸收条件下，会造成一定比例的损失。 三、仪器 为了制得对海上石油设施的实际原油浓度监测的仪器仪表， 一些关键部分已 经制定并应用。 市售二极管激光器已被用作低成本，可靠， 紧凑的光声代光源。 一 般说来， 一个发射波长 905nm 纳米激光器已被采用。 这个波长是特别有用的， 因为 原油和水的光吸收系数， 一般是 12 和 0.04 cm-1，另外，在此波长，进一步区分 了光声脉冲响应，实现了物理参数的组合。该二极管激光器提供 10 兆焦耳的顺序 输出脉冲能量和 200ns 脉冲的宽度， 相当于全宽的一半。这种设备需要大的瞬时电 流脉冲，通常 40A，和商业化的脉冲电流驱动单位被应用在目前的系统。为方便工 作，光纤已被用于激光器输出的光传送到传感器头，如图 1 所示， 由于激光二极 管的发射区域大（典型的 4003340 um）和相关的差异，高数值孔径的多模卡尔纤 维已用于连同相结合的影像镜头和高效激光/光纤耦合镜头。一个 0.23 梯度渐变折 射率透镜，它的数值孔径是 0.46，把光能聚焦到样品的流水线上分辨率能达到小 于等于 1mm。 为了检测光声压力，通常是小于 1Pa，敏感声换能器已采用了传感器的原 型， 如图 2。为了达到所需的灵敏度，以满足操作条件， 如温度，可以采用压电陶 瓷。 为了提高声波检测的灵敏度，要选择压电陶瓷厚度，以便使它的上升时间同 两极声压的宽度相同。想进一步提高灵敏度还可以依靠发射区域面积，这就要求传 感器必须同压力脉冲相匹配，这样的压电管段被利用来拦截圆柱几何声压脉冲。现 在可以做到灵敏度在 1.253 每 Pa，当利用传感器作为一个相对较高的输入电压源 作为前置放大器，典型的是 6.7v。 图 2 截面内联测头声换能器区域示意图 传感器由于入射的压力脉冲被放大了，以最佳的取值输入到模数转换抽样序 列中，以获得数据分析和