pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2017-8-2-142-150pimi-308Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsПРИБОР НА ОСНОВЕ GaInAsSb СВЕТОДИОДОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ В НЕФТИDEVICE BASED ON GAINASSB LEDS FOR MEASUREMENT OF WATER CONCENTRATION IN OILКабановД. М.KabanauD. M.

Address for correspondence: Kabanau D.M. - SSPA «Optics, Optoelectronics & Laser Technology, Nezavisimosty Ave. 68, Minsk 220072, Belarus          e-mail: d.kabanau@ifanbel.bas-net.by

d.kabanau@ifanbel.bas-net.byЛебедокЕ. В.LebiadokY. V.ШпакП. В.ShpakP. V.ЖукС. М.ZhukS. M.СташкевичС. П.StashkevichS. P.Оптика, оптоэлектроника и лазерная техника, ГНПОБеларусьOptics, Optoelectronics & Laser Technology SSPABelarusИнститут физики им. Б.И. Степанова НАН БеларусиБеларусьB. I. Stepanov Institute of Physics of NAS of BelarusBelarusДевелоп групп, ЧПБеларусьDevelop Group PHCBelarus20170906201782142150Copyright © Кабанов Д.М., Лебедок Е.В., Шпак П.В., Жук С.М., Сташкевич С.П., 20172017Кабанов Д.М., Лебедок Е.В., Шпак П.В., Жук С.М., Сташкевич С.П.Kabanau D.M., Lebiadok Y.V., Shpak P.V., Zhuk S.M., Stashkevich S.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/308

Изготовление приборов на основе полупроводниковых излучателей является важным направлением применения оптического абсорбционного метода для детектирования жидких сред. Целью данной работы являлось создание прибора для измерения содержания воды в нефти на основе GaInAsSb светодиодов.

Датчик измерения концентрации воды в нефти включает 3 светодиода на различные длины волн и один широкополосный фотоприемник. Использование светодиодов на основе GaInAsSb кристаллов позволило получить высокоэффективный и точный прибор для измерения концентрации воды в нефти. Предложен способ измерения анализируемой среды с помощью проточной кюветы, учитывающий неоднородность распределения водонефтяной эмульсии. Полный цикл измерения концентрации воды в нефти состоял в измерении поглощения излучения от каждого из трех светодиодов в течение 10 с, усреднении результатов и сравнении с калибровочной кривой.

Разработан прибор на основе селективного оптического абсорбционного метода детектирования для измерения содержания воды в нефти. В качестве источников излучения использованы светодиоды, излучающие в диапазоне от 1,6 до 2,4 мкм. Результаты экспериментов показали, что используемый метод позволяет производить измерения концентрации воды в нефти в диапазоне от 0,2 до 40 % с погрешностью не более 2 %.

Установлены технические требования и параметры работы используемых светои фотодиодов, а также необходимость использования проточной кюветы для анализируемой среды. Показана возможность использования одного прибора для различных сортов нефти, а также нефтепродуктов при проведении предварительной калибровки.

The main object of the work was developed the device based on GaInAsSb diodes for measurement water content in oil. Optical absorption method was used in this device. Three LEDs emitting in the range from 1.6 to 2.4 μm, and one wide-band GaSb/GaInAsSb/GaAlAsSb photodiode were used as sources of radiation and detectors.

The device was developed on the basis of selective optical absorption method of detection for measuring water content in oil. As sources of radiation, LEDs emitting in the range from 1.6 to 2.4 μm were used. The results of the experiments showed that the method used makes it possible to measure the water concentration in oil in the range from 0.2 to 40% with an relative error of not more than 2 %.

The technical requirements and operating parameters of the used light and photodiodes were established. Investigations of the dependence of the luminescence spectra of LEDs on temperature have shown the importance of using thermal control on the sources and detectors of radiation. The possibility of using one device for different types of oil, as well as oil products during preliminary calibration were shown in the paper. The importance of using a rotary pump for mixing and pumping the analyzed medium and a flow cell was established.

GaInAsSb диодыоптический абсорбционный методнефть и нефтепродуктыGaInAsSb diodesoptical absorption methodwater-oil emulsionReferencesКазин, В.Н. Физико-химические методы исследования в экологии и биологии / В.Н. Казин, Г.А. Урванцева. – Ярославль : Яроcл. гос. ун-т, 2002. – 173 с.Kazin V.N., Urvantseva G.A. Fiziko-khimicheskie metody issledovaniya v ekologii i biologii [Physicochemical methods of research in ecology and biology]. Yaroslavl, Yaroslavl. State. University, 2002, 173 p.Ельяшевич, М.А. Атомная и молекулярная спектроскопия (2-е издание) / М.А. Ельяшевич. – М. : Эдиториал УРСС, 2001. – 895 с.Eliashevich M.A. Atomnaya i molekulyarnaya spektroskopiya [Atomic and molecular spectroscopy]. Moscow, Editorial URSS, 2001, 895 p.Золотов, Ю.А. Основы аналитической химии: Методы химического анализа : в 2 кн. / Ю.А. Золотов, Б.Н. Дорохова, В.И. Фадеева; под ред. Ю.А. Золотова. – Кн. 2 – М. : Высшая шк., 2002. – 494 с.Zolotov Yu.A. Dorokhova B.N., Fadeeva V.I.; ed. Zolotov Yu.A. Osnovy analiticheskoi khimii: Metody khimicheskogo analiza [Fundamentals of Analytical Chemistry: Methods of Chemical Analysis, book. 2]. Moscow, Higher School., 2002, 494 p.Калинина, К.В. Портативный оптический анализатор содержания воды в нефти на основе оптопарыKalinina K.V., Molchanov S.S., Stoyanov N.D., Astakhova A.P., Salikhov H.M., Yakovlev Yu.P. Portable optical water-and-oil analyzer based on a mid-IR (1.6–2.4 μm) optron consisting of an LED array and a wideband photodiode.Technical Physics, 2010, vol. 55, is. 2, pр. 258–263.«светодиодная матрица-широкополосный фотодиод» среднего ИК диапазона (1,6–2,4 мкм) / К.В. Калинина [и др.] // Журнал технической физики. – 2010. – Т. 80, № 2. – С. 99–104 (http://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/9925).Bogdanovich M.V., Kabanаu D.M., Lebiadok Y.V., Shpak P.V., Ryabtsev A.G., Ryabtsev G.I., Schemelev M.A., Andreev I.A., Kunitsina E.V., Ivanov E.V., Yakovlev Yu.P. Measurement of the water content in oil and oil products using IR light-emitting diode– photodiode optrons. Technical Physics, 2017, vol. 62, is. 2, рp. 344–346.Богданович, М.В. Измеритель содержания воды в нефти и нефтепродуктах на основе инфракрасных оптоэлектронных пар светодиод − фотодиод / М.В. Богданович [и др.] // Журнал технической физики. – 2017. – Т. 87, № 2. – С. 315–318. (http://journals. ioffe.ru/articles/viewPDF/44146).Stoyanov N.D., Zhurtanov B.Е., Astakhova A.P., Imenkov A.N., Yakovlev Yu.P. High-efficiency LEDs of 1.6–2.4 µm spectral range for medical diagnostics and environment monitoring. Semiconductors, 2003, vol. 37, is. 8, рp. 971–984.Стоянов, Н.Д. Высокоэффективные светодиоды спектрального диапазона 1,6–2,4 мкм для медицинской диагностики и экологического мониторинга / Н.Д. Стоянов [и др.] // Физика и техника полупроводников. – 2003. – Т. 37, Вып. 8. – С. 996–1009 (http://elibrary.lt/resursai/Uzsienio%20leidiniai/ioffe/ ftp/2003/08/ftp3708_18.pdf).Andreev I.A. Serebrennikova O.Yu., Sokolovsky G.S., Dyudeev V.V., Ilinskaya N.D., Konovalov G.G., Kunitsyna E.V., Yakovlev Yu.P. High-speed photodiodes for the mid-infrared spectral region 1.2–2.4 μm based on GaSb/GaInAsSb/GaAlAsSb heterostructures with a transmission band of 2–5 GHz. Semiconductors, 2013, vol. 47, is. 8, рp. 1103–1109.Андреев, И.А. Быстродействующие фотодиоды для средней инфракрасной области спектра 1,2– 2,4 мкм на основе гетероструктур GaSb/GaInAsSb/ GaAlAsSb с полосой пропускания 2–5 ГГц / И.А. Андреев [и др.] // Физика и техника полупроводников. – 2013. – Т. 47, Вып. 8. – С. 1009–1115 (http://journals. ioffe.ru/articles/viewPDF/5053).Kunitsyna E.V., Grebenshchekova E.A., Konovalov G.G., Andreev I.A., Yakovlev Yu.P. Enhancement of the spectral sensitivity of photodiodes for the mid-IR spectral range. Semiconductors, 2016, vol. 50, is. 10, рp. 1403–1407.Куницына, Е.В. Повышение спектральной чувствительности фотодиодов для средней инфракрасной области спектра / Е.В. Куницына [и др.] // Физика и техника полупроводников. – 2016. – Т. 50, Вып. 10. – С. 1420– 1424 (http://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/43659).Laurence S. Rothman. The HITRAN Database [Electronic resource] , Mode of access: http://www.hitran.org/ – Date of access: 12.03.2017.The HITRAN Database / Laurence S. Rothman. [Electronic resource] – Mode of access: http://www.hitran.org/ – Date of access: 12.03.2017.Bezyazychnaya T.V., Bogdanovich M.V., Grigoriev A.V., Kabanov V.V., Kabanau D.M., Lebiadok Y.V., Lepchenkov K.V., Ryabtsev A.G., Ryabtsev G.I., Teplyashin L.L., Titovets V.S., Shpak P.V., Shchemlev M.A. Device for determining the water content of oil or petroleum products: patent RB 10477 U, IPC G01N21/35; Applicant Institute of Physics, National Academy of Sciences of Belarus. No. U20140233; Claimed. 14.06.2014; Publ. 30.12.14. Of. of the Bul., National center of intellectial property, 2014, no. 6, рр. 214.Безъязычная, Т.В. Устройство для определения содержания воды в нефти или в нефтепродуктах: пат. 10477 U Республики Беларусь, МПК G01N21/35 / Т.В. Безъязычная [и др.]; заявитель Институт физики НАН Беларуси. – № U20140233; заявл. 14.06.2014; опубл. 30.12.14 // Афіцыйны бюл. / Нац. цэнтр інтэлектуал. уласнасці. – 2014. – № 6. – С. 214.Semenov A.N., Terentyev Y.V., Melzer B.Ya., Soloviev V.A., Popova Т.V., Nashchekin A.V., Andreev I.A., Kunitsyna E.V., Usikova A.A., Yakovlev Yu.P., Ivanov S.V. Molecular beam epitaxy of thermodynamically metastable GaInAsSb alloys for medium IR-range photodetectors. Semiconductors, 2010, vol. 44, is. 5, рp. 672–677.Семенов, А.Н. Молекулярно-пучковая эпитаксия термодинамически метастабильных твердых растворов GaInAsSb для фотодетекторов среднего ИКдиапазона / А.Н. Семенов [и др.] // Физика и техника полупроводников. – 2010. – Т. 44, Вып. 5. – С. 699–705 (http://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/7132).Семенов, А.Н. Молекулярно-пучковая эпитаксия термодинамически метастабильных твердых растворов GaInAsSb для фотодетекторов среднего ИКдиапазона / А.Н. Семенов [и др.] // Физика и техника полупроводников. – 2010. – Т. 44, Вып. 5. – С. 699–705 (http://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/7132).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.