Исследование влияния повышенного давления в проточной кювете на мощность излучения в каналах многоканального спектрофотометра

Бобе А.С., Вознесенская А.О., Поляков В.М.

Ссылка для цитирования:

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

Bobe A.S., Voznesenskaya A.O., Polyakov V.M. Study of the effect of increased pressure in the flow cell on radiation power in the channels of a multichannel spectrophotometer [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 7. P. 51–61. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-07-51-61

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Влияние повышенного давления в кювете многоканального проточного спектрофотометра на перераспределение мощности излучения в волоконно-оптических каналах. Цель работы. Разработка метода и алгоритма компенсации дополнительной погрешности измерения коэффициента пропускания вещества в системе многоканального спектрофотометра, возникающей при изменении давления в проточном канале. Метод. В среде Comsol Multiphysics на основе классической теории упругости разработана модель, описывающая возникающие механические напряжения и изменения профиля деформации оптических окон проточной кюветы при различных значениях повышенного давления в проточном канале. Полученные результаты использованы для расчета отклонения волнового фронта проходящего излучения и определения распределения облученности на торце волоконно-оптического жгута. С использованием пакета программ Zemax OpticStudio проведено моделирование и представлено обоснование целесообразности использования афокальной либо фокусирующей формирующей оптической системы спектрофотометра. Основные результаты. Показано, что повышенное давление в проточном канале влияет на результирующую мощность излучения в каналах проточного волоконно-оптического спектрофотометра. В случаях афокальной формирующей системы и семиканального волоконно-оптического жгута рассчитанная погрешность полученных измерений пропускания при давлении 100 МПа достигает 28%. Предложены матрица поправочных коэффициентов и алгоритм калибровки, учитывающий значения повышенного давления в системе проточной кюветы и показателя преломления анализируемого вещества. Практическая значимость. Полученные результаты демонстрируют необходимость учета влияния повышенного давления в проточных системах. Введено понятие калибровочных коэффициентов, предложен алгоритм калибровки многоканальных спектрофотометров.

Ключевые слова:

проточный анализ, давление, эффект фокусировки, спектрометрия, волоконно-оптический жгут, моделирование оптических систем

Коды OCIS: 300.6340, 280.2490, 060.2390

Список источников:

1. Guo X., Sivagurunathan K., 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.48.000C11

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 K., Lu H.-B., 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 hydrothermal 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 fiber-optic transmission cell and a simple filter spectrometer // J. Chromatography A. 1997. № 1–2(785). P. 269–277. 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. Downhole 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 B1. 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. Spectrosc. 2023. № 1(77). P. 116–122. https://doi.org/10.1177/0003702822112884

11. Gui J.Y., Silva J.M., Carnahan J.C., et al. Online monitor for polymer processes // United States Patent US6635224B1. Publ. Aug., 2001.

12. Wynn W.H. Micro volume inline optical sensor // United States Patent US9279746B2. Publ. Aug., 2004.

13. Wynn W.H. Inline optical sensor with modular flowcell // United States Patent US9404849. Publ. Aug., 2013.

14. Shelton D.P. Lens induced by stress in optical windows for high-pressure cells // Review of Sci. Instruments. 1992. № 8(63). P. 3978–3982. http://doi.org/10.1063/1.1143248

15. Bartl G., Glaw P., Schmaljohann F., et al. Correction for stress-induced optical path length changes in a refractometer cell at variable external pressure // Metrologia. 2018. № 1(56). http://doi.org/10.1088/1681-7575/aaef4c

16. Алтухов А.А, Попов А.В, Фещенко В.С. Измеритель оптической плотности проточной жидкости // Патент РФ № RU157015U1. Бюл. 2015. № 32.

Altuhov A.A., Popov A.V., Feshchenko V.S. Flow liquid optical density meter // RF Patent № RU157015U1. Bull. 2015. № 32.

17. Архипов И.Н., Ваганов М.А., Кулаков С.В. и др. Параллельный анализатор спектра сигналов оптического диапазона // Патент РФ № RU86734U1. Бюл. 2009. № 25.

Arhipov I.N., Vaganov M.A., Kulakov S.V., et al. Parallel optical spectrum analyzer // RF Patent № RU86734U1. Bull. 2009. № 25.

18. Liston M.D., Dickinson D.G., Stark W.A. Multichannel spectrophotometer // United States Patent US4477190A. Publ. Oct., 1984.

19. Fournel J., Lunati A., Gergaud T. Spectrometer for fluid analysis // United States Patent US7982189B2. Publ. Oct., 2011.

20. Электронный ресурс URL: https://www.bakerhughes.com/evaluation/wireline-openhole-logging/fluid-characterization-and-testing (Fluid characterization and testing/ Baker Hughes).

Electronic resource URL: https://www.bakerhughes.com/evaluation/wireline-openhole-logging/fluid-characterization-and-testing (Fluid characterization and testing/ Baker Hughes).

21. Crombie A., Halford F., Hashem M., et al. Innovations in wireline fluid sampling // Oilfield Rev. 1998. № 10(3). P. 26–41.

22. DiFoggio R., Csutak S. Laser diode array downhole spectrometer // United States Patent US7,782,460. Publ. Aug., 2008.

23. Mullins O.C., Schroer J. Real-time determination of filtrate contamination during openhole wireline sampling by optical spectroscopy // SPE Annual Technical Conf. and Exhib. October 1, 2000. P. SPE-63071.

24. Mueller N. Quantification of carbon dioxide using downhole Wireline formation tester measurements // SPE Annual Technical Conf. and Exhib. October 1, 2006. P. SPE-100739.

25. Current R.W., Tilotta D.C. Determination of total petroleum hydrocarbons in soil by on-line supercritical fluid extraction-infrared spectroscopy using a fiber-optic transmission cell and a simple filter spectrometer // J. Chromatography A. 1997. № 1–2(785). P. 269–277. http://doi.org/10.1016/S0021-9673(97)00466-4

26. Mullins O.C. Hydrocarbon compositional analysis in-situ in openhole Wireline logging // SPWLA Annual Logging Symp. 2004. P. SPWLA-2004.

27. Mullins O.C., Hashem M., Elshahawi H., et al. Gas-oil ratio of live crude oils determined by near-infrared spectroscopy // Appl. Spectrosc. 2001. № 55(2). P. 197–201. http://doi.org/10.1366/0003702011951506

28. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. М.: Наука, 1965. 27 с.

Landau L.D., Lifshits E.M. Theory of elasticity [in Russian]. Moscow: "Nauka" Publ., 1969. 27 p.

29. Donnell L.H. Beams, plates and shells. McGraw-Hill, 1976. 482 p.

30. Egan P.F., Stone J.A., Scherschligt J.K., et al. Measured relationship between thermodynamic pressure and refractivity for six candidate gases in laser barometry // J. Vacuum Sci. & Technol. A, Vacuum, Surfaces, and Films: An Official J. American Vacuum Soc. 2019. № 37(3). http://dx.doi.org/10.1116/1.5092185

31. Waxler R.M., Farabaugh E.N. Photoelastic constants of ruby // J. Research of the National Bureau of Standards. Section A, Phys. and Chem. 1970. № 2 (74A). P. 215–220. http://dx.doi.org/10.6028/jres.074A.016