Рис. 3. Голограммно-оптический диспергирующий элемент: 1 – линза, 2 – дисперсионный спектр от объекта,
сфокусированный на многоэлементную линейку Toshiba CCD linear image sensor
Из-за конструктивных особенностей диспергирующего элемента информационный спектр
расположен вдоль главной оптической оси системы (рисунки 3,4) и выгодным становится
использование одномерного линейного ПЗС-элемента (типа Toshiba CCD linear image sensor), [2,3,7].
Рис. 4. Схема предлагаемой спектральной информационной оптической системы: 1 – источник излучения;
2 – осветительная система; 3 – входная диафрагма; 4 – входной коллиматорный объектив; 5 – диспергирующий
элемент; 6 - многоэлементный фотоприемник излучения (ПЗС-линейка –Toshiba CCD linear image sensor)
.
Поток излучения источника 1 фокусируется оптической системой 2 на входную диафрагму 3.
Прошедший через диафрагму поток входным коллиматорным объективом 4 направляется
параллельным пучком на диспергирующий элемент 5. На выходе диспергирующего элемента
формируется от каждой синусоидальной Френелевской зонной пластины веер сходящихся и
фокусирующихся
на
главной
оптической
оси
монохроматических
лучей.
Современные
автоматизированные спектральные системы включают в себя многоэлементный фотоприемник
излучения, блоки обработки сигналов и управления ими, интерфейс для связи с ЭВМ или ПЗС-
линейка 6 - линейный фотопреобразователь (ФЭП). Каждый монохроматический луч с определенной
длиной волны фокусируется на определенную ячейку фотоприемника. В автоматизированных
системах системный блок компьютера служит для управления режимом работы отдельных узлов
прибора, считывания информации с фотоприемного устройства и обработки сигналов. Результаты
измерений хранятся в памяти компьютера и могут быть представлены в удобном виде на экране
монитора. Эта методика обработки спектральной информации в автоматизированных спектральных
системах позволяет организовать непрерывный контроль состава исследуемой среды в реальном
масштабе времени.
1
2
●
Технические науки
82
№2 2014 Вестник КазНТУ
Характеристика параметров представленного прибора [4]
1. Рабочий диапазон - на рабочий диапазон влияет качество самого спектрального прибора, в
данном случае - технология формирования голографического оптического элемента, основа
светочувствительной регистрирующей среды, на которую она нанесена, а также источник освещения
системы и фотоприемник, поскольку чувствительность фотоприемника, как и коэффициент
пропускания осветительной системы, зависят от длины волны;
2. Спектральная разрешающая способность R данного прибора, как и всех классических
приборов, характеризует его свойство разделять излучение на компоненты, отличающиеся по длине
волны на малый интервал δλ. Чем меньше этот интервал, т.е. чем более детальное исследование
спектра допускает данный прибор, тем больше его разрешающая способность. Численно она
определяется отношением:
R=λ/δλ, (1)
где λ — длина волны, для которой определяют разрешающую способность спектрального
аппарата; δλ- разность длин волн двух наиболее близких спектральных линий, которые еще могут
быть разрешены данным спектральным аппаратом. Более строго разрешающая способность
определяется аппаратной функцией прибора. Разрешение зависит от спектрального прибора, но
возможно влияние и осветительной системы. В отличие от классических дифракционных решеток,
где разрешающая способность определяется формулой (1), в данной оптической системе
голографическая зонная пластина или ДОЭ представляет прибор, коэффициент пропускания (по
амплитуде) которого меняется как cos
2
х
2
(рисунок 5), и разрешающая способность также меняется
не регулярно, то есть по экспоненте.
Рис. 5. Профиль круглой «синусоидальной» решетки,
коэффициент пропускания которой меняется как cos
2
х
2
Рис. 6. Увеличенный снимок зонной пластинки Френеля,
представляющей собой голографическую линзу
Как следствие, меняя рабочую область с помощью оптических элементов, введенных
специально до или после диспергирующего узла, можно настроить спектральный прибор в
зависимости от поставленной задачи на соответствующее разрешение (рисунок 7).
В случае, когда источник информации 1 (это объект, спектр которого необходимо разрешить)
требует более высокого разрешения, в оптичкской системе после диспергирющей линзы Френеля
устанавливается специальная диафрагма 6, которая выделяет зоны с необходимым разрешением.
Величина периода убывает от максимального до минимального значения в направлении к периферии
линзы по указанной выше закономерности.
●
Техникалық ғылымдар
ҚазҰТУ хабаршысы №2 2014
83
Рис. 7. Схема оптической системы с регулируемым
разрешением спектральных линий:
1 – источник излучения (объект); 2 – осветительная
система; 3 – входная диафрагма; 4 – входной
коллиматорный объектив; 5 – диспергирующий элемент;
6 – раздвижная диафрагма для выделения зонных колец с
необходимой периодом решетки; 7- многоэлементный
фотоприемник излучения ПЗС-линейка
Как известно, более строго разрешающая способность спектральных приборов определяется
аппаратной функцией, т.к. любой оптический прибор вносит искажения в распределение излучения.
В фокальной плоскости прибора получается изображение линии (щели-для классических приборов) с
конечной шириной по следующими причинам:
- линии в фокальной плоскости являются изображением входной щели, которая всегда имеет
конечную ширину;
- дифракционные явления;
- аберрация и дефекты оптической системы;
- особенности регистрирующей системы, например, полоса пропускания.
Если входная щель спектралього прибора достаточно широкая, то инструментальный контур
имеет вид, представленный рис.8. С уменьшением ширины щели все больше проявляется дифракия
на ней, которая приведет к уширению изображении линии.
0
4
8
12
16
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
I
отн
отн
-10
-5
0
5
10
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
отн.
I
отн.
Рис. 8. Инструментальный контур Рис. 9. Инструментальный контур
(широка щель) [2] (узкая щель)[2]
Что касается нашего диспергирующего элемента, то разрешающая способность также зависит
от аппаратной функции, но эта зависимость носит более сложный характер, так как период решетки
не постоянен, как у классических диспергирующих элементов – решеток, а синусоидален и
переменен и изменяется как cos
2
х
2
.
Существует так называемая нормальная ширина а
н,
для которой разрешение и светосила
оптимальны. Обычно а
н
= 0,02 - 0,04 мм. Щель называется нормальной, если ширина ее
геометрического изображения в фокальной плоскости равна расстоянию между двумя линиями,
разрешенному согласно критерию Релея. При этом потеря в разрешающей способности по сравнению
с бесконечно узкой щелью составляет 25%. Здесь в данном приборе можно говорить о щели,
представляющей переменный период между сформированными кольцами зонной пластинки.
3 - 4. В данном устройстве с ГОЭ на пространственное и временное разрешение основное влияние
оказывают фотоприемник и регистрирующая система, а также величина входной апертуры ГОЭ.
1
2
3
4
5
6
7
●
Технические науки
84
№2 2014 Вестник КазНТУ
5. Порог чувствительности определяет минимальный поток энергии от источника,
позволяющий проанализировать излучение. Эта важнейшая для задач диагностики характеристика
системы зависит от конструкции и физических принципов функционирования спектрального
прибора, типа и качества фотоприемника, уровня шумов источника, фотоприемника с усилителем и
регистрирующей системы.
6 - 7. Угловая дисперсия (D
φ
) определяет изменение угла отклонения луча φ с изменением
длины волны λ:
D
φ
= dφ/dλ (2)
но так как в классических дифракционных спектральных аппаратах диспергирующие элементы
имеют в каждом конкретном приборе постоянный период решетки, а в данном приборе оно меняется
по определенной закономерности, то и (D
φ
) меняется соответственно.
8. Относительно области дисперсии диапазона длин волн в спектре, где имеетя однозначная
связь между длиной волны спектральной линии и ее положением в спектре, наблюдаемом на
фокальной поверхности, и переналожением порядков дифракции, например для дифракционных
приборов, с которым приходится бороться с помощью светофильтров, можно сказать следующее. В
данных приборах, согласно закону Вульфа-Брегга, переналожение порядков должно быть исключено,
хотя оно может быть и в какой-то мере присутствует из-за расходимости излучения в пространстве от
щели (плоскости решетки, откуда оно выходит) до главной оптической оси, где оно должно
фокусироваться в точку.
9. Светосила спектральных приборов характеризует их фотометрические свойства - она равна
коэффициенту пропорциальности между яркостью исочника и непосредственно измеряемой
энергетической величиной. Светосила зависит от геометических характеристик прибора, потерь
излучения в нем, угловой дисперсии и др.
На рисунке10 представлен лабораторный макет предлагаемого устройства, а на рисунке11 -
с
хема регистрации оптической информации.
Рис. 10. Лабораторный макет спектральной системы на основе голографического ДОЭ
Рис. 11. Схема регистрации оптической информации:
1-источник света, 2- коллиматор, 3-диафрагма, 4 - ССД, 5- ДОЭ
●
Техникалық ғылымдар
ҚазҰТУ хабаршысы №2 2014
85
Рис. 12. Основные элементы установки для проверки ПЗС- линейки ДОЭ и юстировочного устройства:
1 - источник света; 2 – коллиматор с диафрагмой; 3 – дифракционно-оптический элемент; 4 – оправа ДОЭ с
юстировочными деталями; 5 – ПЗС- линейка; 6 – юстировочное устройство; 7- контроллер ПЗС-линейки
Принцип работы лабораторного макета спектрального устройства следующий. На модуль ПЗС-
линейки из ПЗС контроллера подается необходимая тактовая последовательность импульсов для
надлежащей работы ПЗС-линейки. Параметры тактовой последовательности определяются
требуемыми параметрами чувствительности и быстродействия при накоплении / съеме информации.
Одновременно с тактовой последовательностью в нужные моменты времени запускается аналого-
цифровое преобразование и оцифрованный сигнал, отображающий состояние каждого пикселя
линейки, по последовательному каналу передается в контроллер.
В состав ПЗС-контроллера входят следующие компоненты:
- набор драйверов для подключения модулей ПЗС – 8 каналов;
- логический автомат, выполняющий функции формирования тактовых диаграмм ПЗС модулей
при работе системы;
- оперативная память, служащая для буферизации информации с ПЗС-линеек перед передачей
ее через интерфейс USB;
- процессор, осуществляющий функции программирования режимов работы логического
автомата, коммуникационные функции через интерфейс USB;
- функции интерфейса управления.
Рис. 13. Один из экспериментальных спектров ртутной лампы, полученный на указанном макете установки с
голографическим ДОЭ
●
Технические науки
86
№2 2014 Вестник КазНТУ
Таким образом, в работе показана возможность создания на основе дифракционных
голограммно-оптических
элементов
принципиально
нового
спектрального
аппарата
с
использованием многоэлементных приемников оптического сигнала фирмы Toshiba TCD1304,
состоящих из 3648 светочувствительных элементов размером 8х200 мкм(ПЗС-линейка). Результаты
экспериментального исследования показали возможность создания такого спектрального аппарата с
достаточно широким диапазоном разрешения, которое зависит от поставленной задачи.
Теоретические расчеты показывают, что период решетки может колебаться от нескольких
нанометров до нескольких микрометров. Все полученные предварительные данные, например,
эмиссионные спектры некоторых элементов, дают возможность утверждать, что продукт
исследовательской работы является актуальным и будет востребованным во многих областях науки и
техники и, в первую очередь, в задачах экологического характера, решаемых например, с борта
летательных аппаратов, благодаря своей мобильности и необходимой разрешающей способности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кусаинов С.Г., Кусаинов А.С., Буктуков Н.С., Бедельбаева Г.Е., Токтамысов Е.И. Возможности
увеличения оптической информации об исследуемых объектах // Вестник КазНТУ. – 2012. - № 4. – С.106-112.
2. Кусаинов С.Г., Кусаинов А.С., Буктуков Н.С. Диспергирующие концентраторы солнечной излучения
// Вестник КазНТУ. – 2012. - №2.
3. Кусаинов С.Г., Кусаинов А.С., Айткулов М.Т., Уразов М.Б. Многофункциональность голограммно-
оптических элементов // Вестник КазНТУ. – 2013. - №3. – С.135-145.
4. Дифракционная компьютерная оптика / под ред. В.А. Сойфера – М.: Физматлит,, 2007.
5. Сойфер В.А. Нанофотоника и дифракционная оптика // Компьютерная оптика. – Т. 32, №2. - с.110-118.
6. TOSHIBA CCD LINEAR IMAGE SENSOR CCD (Charge Coupled Device) TCD1304DG, 2008-01-06. Data Sheet.
7. Миронов А.В. Прецизионная фотометрия. – РОО "Мир Науки и Культуры",2009. ISSN 1684-9876.
8. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Челибанов В.П. Приемники излучения.- СПб.: Папирус, 2003.
9. Шрёдер Г., Трайбер Х. Техническая оптика. – М.: Техносфера, 2006.
10. Benton S.A. A Ray-Tracing Analysis of Holography. -printed 2/7/02.
11.
Александров М.С., Ловцюс В.А., Смирнов О.Н., Торонов О.Г. Мобильный спектрометр // Тез. докл.
XV Уральской конф. по спектроскопии. - Екатеринбург, 2005.
12.
Разработка линейной фотоприёмной системы с пространственным разрешением для регистрации
осевых спектров дифракционных оптических элементов (ДОЭ): отчет о НИР/ ЗАО «Спектральная
лаборатория»: рук. Александров М.С. – С.-П., 2013. – 22 с.
13. Флорко А.В., Шевчук В.Г. Спектральные методы исследования высокотемпературных систем. –
Одесса, 2006.
REFERENCES
1. Florko A.B., Shevchuk V.G., Spektralnie metodi issledovania visokotemperaturnih system.-Odessa, 2006.
2. Kusainov S.G., Kusainov A.S., Buktukov N.S., Bedelbaeva G.E., Toktamisov E.I. Vozmojnosti uvelichenia
opticheskoi informasii ob issleduemih obiektah // Vestnik KazNTU.-2012.-№4.-s.106-112.
3. Kusainov S.G., Kusainov A.S., Buktukov N.S. Dispergiruiuchie konsentratori solneshnoi izluchenia// Vestnik
KazNTU.-2012.-№2.
4. Kusainov S.G., Kusainov A.S., Aitkulov M.T., urazov M.B. Mnogofunksionalnost gologramno- opticheskih
elementov // Vestnik KazNTU.-2013.-№3. –s.135-145.
5. Soifera V.A. Difraksionnaia kompiuternaia optika / pod. red. –M.:Fizmatlit.-2007.
6. Soifera V.A. Nanofotonika i difraksinnaia optika // Kompiuternaia optika.- T.32, №2. - с.110-118.
7. TOSHIBA CCD LINEAR IMAGE SENSOR CCD (Charge Coupled Device) TCD1304DG, 2008-01-06. Data
Sheet.
Құсаинов С.Г., Құсаинов А.С., Александров М.С., Айтқұлов М.Т., Оразов М.Б.
Спектралды құрылғы голограммалық- оптикалық элемент негізінде
Түйіндеме: Ұсынылып отырған жұмыста голограммалық технологиялар негізінде жаңа үлгідегі
спектралдік құрылғы жасау қарастырылды.
Зерттеу
барысында,
жинактаушы
элемент
ретінде
дифракциялық-оптикалық
элемент
қолданылды.Құрылғының, классикалық спектральді құрылгылардың оптикалық жүиесін толық алмастыра алуы
сонымен қатар айыру қабілетінен кем түспейді және көлемінің әмбебаптығымен ерекшеленеді.
Негізгі сөздер: Голограммалық-оптикалық элемент (ГОЭ), дифракциялық-оптикалық элемент (ДОЭ),
cпектрометр, видеоспектрометр, ПЗС-матрица.
●
Техникалық ғылымдар
ҚазҰТУ хабаршысы №2 2014
87
Кусаинов С.Г., Кусаинов А.С., Александров М.С., Айткулов М.Т., Уразов М.Б.
Спектральный прибор на основе голограммно-оптического элемента
Резюме: В работе рассмотрен созданный на основе голографической технологии новый спектральный
прибор. В качестве диспергируюшего элемента использован ДОЭ,, который заменяет всю оптическую систему
классических приборов, не уступая им по разрешающей способности и обладая достаточно высокой
мобильностью.
Ключевые слова: Голограммно-оптический элемент (ГОЭ), дифракционно- оптический элемент (ДОЭ),
спектрометр, видеоспектрометр, ПЗС-матрица.
Kusainov S., Kusainov A., Aleksandrov M., Ayitkulov M., Urazov M.
Spectral instrument on the basis of the hologram optical element
Summary: In this paper we consider created based on holographic technology new spectral instrument. As
dispersed element used DOE, which replaces the entire optical system of classical instruments, not yielding to them by
resolution and having a sufficiently high mobility.
Key words: holographic optical element (HOE), diffractive optical elements (DOE), spectrometer, imaging
spectrometers, CCD.
УДК 622.276 (075)
Р.В. Даурова, З.Б. Имансакипова
(Казахский национальный технический университет им. К.И.Сатпаева
Алматы, Республика Казахстан)
ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОМЫСЛОВЫХ ШТАНГОВЫХ СКВАЖИННЫХ
НАСОСНЫХ УСТАНОВОК
Аннотация. Оборудование для эксплуатации скважины соответствующим способом имеет свою
рациональную область применения. Границы определяют на основе, прежде всего, экономической
эффективности данного способа эксплуатации и оборудования для эксплуатации конкретной скважины, с
учетом технических возможностей способа эксплуатации и влияния на эффективность глубин скважин,
диаметров эксплуатационных колонн, геометрических особенностей ствола скважин, дебитов, состава
пластовой жидкости или газа. В настоящей статье показано современное состояние штанговых скважинных
насосных установок. Проводится анализ пути совершенствования промысловых штанговых установок. Данная
статья нацелена на выявление основных направлений совершенствования промысловых штанговых
скважинных насосных установок.
Ключевые слова: станок качалка, скважинный насос, длина хода, гидравлический цилиндр, колонны
штанг, канатная подвеска, игольчатый клапан.
Сегодня более чем на 90% добывающих скважин применяется какой- либо способ
механизированной добычи, а старение фонда скважин и растущие темпы падения добычи
увеличивают этот процент. В старых системах механизированной добычи использовался наземный
двигатель, приводивший в движение насос, чтобы доставить нефть на поверхность. Концепцией
механизированной
добычи
с
возвратно-поступательным
движением
насосных
штанг
просуществовала более чем столетие и сегодня все еще остается наиболее распространенной.
Усовершенствование штанговых насосов, прежде всего, основаны на прогресс в металлургии и
улучшениях электрических и механических решений подземных и наземных компонентов системы.
Три главных компонента механизированной добычи с возвратно-поступательным движением
насосных штанг это первичный двигатель, передающая колонна и забойный насос.
Преобразующий механизм станка- качалки должен обеспечивать движение точки подвески
штанг по закону наиболее близкому к идеальному, т.е. гармоническому и для достижения этого
кинематического совершенствования станка-качалки, характеризующегося показателям «m»
конструкторы стараясь довести его к единице, что в конечном итоге приводит к увеличению
габаритов станка- качалки. Увеличение длины хода- одно из направлений совершенствования
станков-качалок приводит до создания таких конструкций страдающих гигантоманией,
высота
станка качалки 18-19м,
в следствии растет металлоемкость, стоимость оборудования,
эксплуатационные затраты.
●
Технические науки
88
№2 2014 Вестник КазНТУ
Исследование установок на промыслах показывают, что для эксплуатации скважин с глубиной
подвески более 1200м значение «m» не должно превышать 1,25-1,30 в противном случае резко
увеличивается динамическая составляющая усилие в точке подвески штанг. Уменьшение «m»можно
достигнуть за счет увеличения размеров станка-качалки, а значит, и его весовой характеристикой.
Мировая практика не стоит на месте и проблемы усовершенствования промысловых операций
на скважинах, оснащенных станками-качалками решаются и в этом направлении предлагаются
новинки для усовершенствования штанговой насосной добычи:
1 использование складной насосной установки;
2 гидравлического цилиндра для регулирования длины колонны штанг;
3 новых стекловолоконных штанг и систем анализа и оптимизации режима эксплуатации
скважины насосной установки.
1. Использование складной насосной установки повышение и понижение высоты достигается
благодаря использования уникального коленчатого соединения в тыльной части вертикальной
опорной стойки балансира, которое приводится в действие автономной гидравлической системой.
2. Гидравлический силовой агрегат может поставляться комплектно с установкой или
установка может быть оснащена быстросъемными переходниками, которые позволяют использовать
отдельный смонтированный на шасси автомобиля; гидравлический силовой агрегат для поочередного
обслуживания нескольких глубинно-насосных установок.
Основные узлы новой системы изготавливаются из стандартных компонентов, выдержавших
испытание временем.
Установки используются в тех случаях, когда требуется увеличение длины хода поршня.
Установку можно складывать таким образом, что ее высота над уровнем земли оказывается
несколько меньше 3,66м.
Создание полного параметрического ряда
складных насосных установок, удовлетворяющего
требованием большинства скважин, на которых используются станки качалки вполне реально и
необходима.
Второй способ по усовершенствованию- гидравлический цилиндр, используемый, при подъеме
или при спуске колонны штанг в скважине без остановки насосного агрегата. Система может
поднимать или опускать колонну минимально на 3мм и максимально 355,6мм. Устройство
устанавливается между балансиром и трубным зажимом для полированного штока. Гидравлический
манифольд, соединенный с цилиндром, опускается по вертикальной стойке к 1/4- дюймовому
тройнику. В этом тройнике объединены игольчатый клапан, быстросъемный переходник и
самописец.
Для спуска колонны штанг игольчатый клапан открывается, и рабочая жидкость гидросистемы
медленно вытекает из цилиндра. За счет этого колонна штанг удлиняется, что позволяет ее
пропустить. Для подъема штанг к быстросъемного переходнику подсоединяется ручной
гидравлический насос, и колонна штанг поднимается на нижним.
Датчик давления и самописец позволяет оператору контролировать гидравлическое давление
внутри цилиндра и таким образом получать важнейшую информацию о ситуации в скважине.
Например, с помощью цилиндра может оценить загрузку насоса, установить возникновение
газовой пробки, скопление парафина на забое скважины, расстановку насосных штанг, высокий
уровень пластовой жидкости в затрубном пространстве и манометрическое давление жидкости.
Когда насос загружен должным образом, характер колебаний давления на датчике и самописце
равномерный. При появлении газовой пробки ширина импульса на датчике и самописце
увеличивается. А когда возрастает давление жидкости в скважине, перемещение стрелки
подключенного самописца интенсивно учащается.
3. Применение стекловолоконных насосных штанг- это оригинальное решение проблемы
муфтовых соединений, уменьшает затраты и минимизирует время монтажа. Новые штанги имеют
диаметр 1 и 1,25 (25,4мм и 26,9мм) и не требуют использование дополнительных муфт. Они
изготавливаются с резьбовой муфтой на одной стороне и ниппелем на другой.
Контролер штангового насоса для малодебитных скважин. Дает возможность промысловикам
организовать более эффективную эксплуатацию скважин с низким коэффициентом продуктивности.
Циклическая работа штангового насоса по графику не эффективна. Поскольку месторождения
являются динамическими системами, временный график не может точно и непрерывно отслеживать
|