УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА
APPARATUS FOR CONTROLLING OPTICAL FLUX DENSITY

Изобретение относится к устройствам для определения объемной концентрации мелкодисперсных взвешенных частиц в потоке жидкости или газа по измерению оптической плотности потока и может быть использовано для непрерывного контроля процессов очистки воды в биологических очистных сооружениях, дымовых и пылегазовых потоков, химических и других производств.
Существуют способы и устройства определения концентрации взвешенных микрочастиц, основанные на измерении интенсивности рассеянного микрочастицами света. В наиболее общем виде интенсивность светорассеяния зависит от размера и количества частиц.
Классическое устройство для определения оптической плотности потока, например жидкости, состоит из источника света, проточной ячейки (прямоугольной или цилиндрической, прозрачной или с прозрачными окнами), фотоприемника и анализатора фотосигнала. Оптическая плотность ячейки складывается из оптической плотности стенок ячейки (величины постоянной), оптической плотности потока струи жидкости (переменной величины, которую и надо контролировать) и оптической плотности налета на стенках ячейки (изменяющейся во времени по неустановленным законам). Как правило, оптической плотностью налета пренебрегают (в силу ее относительно невысокого значения), что обуславливает систематическую погрешность рассмотренного метода измерения.
Известно устройство для определения объемной концентрации взвешенных частиц в светопоглощающих средах, содержащее источник света, измерительную камеру (измерительную ячейку), фотоприемники, блоки управления (а.с. 1303906, класс G01N 21/27).
Недостатком известного устройства является возможность корректного контроля только сред с очень малой концентрацией взвешенных частиц. Это обусловлено тем, что не учитывается неконтролируемое ослабление светового потока загрязняющими отложениями на стенках измерительной камеры при пропускании через нее потока жидкой или газовой среды со значительными концентрациями взвешенных частиц.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является известное устройство, содержащее цилиндрическую фотометрическую кювету (измерительную ячейку), источник света, фотоприемник, блок обработки сигнала, узел очистки - промывки (а.с. 1453272, класс G01N 21/85).
Недостатком известного устройства является конструктивное усложнение устройства при недостаточной точности измерения (точное измерение возможно только во временной точке - сразу после очистки ячейки), а также направленность на применение для узкого круга сред, а более конкретно для измерения концентрации нефти и нефтепродуктов в сбросовых водах.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерений путем устранения погрешности непрерывного измерения оптической плотности потока жидкой или газовой среды, обусловленной образованием налета из содержащихся в потоке частиц на внутренней поверхности ячейки, и расширение функциональности устройства.
Поставленная задача решается тем, что контролируемый поток жидкой или газовой среды (или эквивалентную часть потока) пропускают через ячейку, представляющую собой прозрачный или с прозрачными окнами усеченный конус, внутри которого располагается прозрачный сплошной или пустотелый стержень конической формы, оптическая плотность которого априори известна и габариты которого задаются внутренними габаритами ячейки.
Устройство состоит из проточной конической ячейки 1, подсоединяемой через переходники и переключающую арматуру (на рисунке не показаны) к соответствующему трубопроводу, источника света 2 (лампа накаливания с рефлектором, светодиод или лазер), делителя 3 светового потока 4, линейки (блока отдельных независимых фотоприемников) 5. Источник света (делитель светового потока) и линейка (блок) фотоприемников (фотоэлементов) расположены параллельно ячейке (потоку) на противоположных сторонах измерительной ячейки (фигура 1). Внутрь конической ячейки 1 вставлен конический стержень 6 (в вариантном исполнении пустотелый).
Линейка фотоприемников подключается к блоку обработки сигнала (анализатору оптоэлектрического сигнала) - на рисунках не показан.
На фигуре 2 показан продольный разрез этой ячейки. Конический стержень-вставка 6 зафиксирован внутри ячейки фиксаторами 7, обеспечивающими необходимый зазор 8 между стенками 9 ячейки 1 и внешней поверхностью стержня 6. Стенки 9 ячейки 1 и конический стержень-вставка 6 выполнены из прозрачных материалов с фиксированными оптическими плотностями.
Устройство работает следующим образом. Измерительная ячейка 1 со вставленным в нее вкладышем 6 с помощью переходников, в зависимости от объемных скоростей потока, вставляется в разрыв трубопровода или подключается параллельно потоку жидкой или газовой субстанции, содержащей взвешенные микрочастицы, концентрацию которых необходимо контролировать. Поток пускают через ячейку в зазор 8 между стенками 9 ячейки 1 и конической вставкой 6. При параллельном подключении, с помощью переключающей арматуры через ячейку пускают эквивалентную часть потока. Одновременно включают источник света 2, делитель светового потока 3, линейку фотоприемников 5 и блок обработки оптоэлектрического сигнала. Делитель светового потока 3 направляет локальные световые лучи 4 минимум через два разных сечения ячейки 1. По выходу из ячейки локальные световые лучи попадают на отдельные фотоприемники линейки фотоприемников (каждый луч на свой независимый фотоприемник).
В вариантном исполнении линейка фотоприемников выполняется монолитной, однородной по всей длине, а световые лучи пропускаются через разные сечения ячейки по очереди с пренебрежимо малой разницей во времени (доли миллисекунд), что может расцениваться (с точки зрения потока) как практически одновременно. При этом блоку управления этой микроскопической разницы во времени достаточно для различения этих световых лучей.
i
Оптическая плотность D i-го сечения (участка) измерительной ячейки равна
<mrow><msup><mi>D</mi><mi>i</mi></msup><mo>=</mo><msub><mi>D</mi><mi>с</mi></msub><mo>+</mo><msubsup><mi>D</mi><mi>в</mi><mi>i</mi></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>D</mi><mi>п</mi><mi>i</mi></msubsup><mo>+</mo><msub><mi>D</mi><mi>н</mi></msub></mrow>
, где
c
D - оптическая плотность стенок ячейки (величина постоянная),
<mrow><msubsup><mi>D</mi><mi>в</mi><mi>i</mi></msubsup></mrow>
- оптическая плотность вставки в выбранном сечении (величина постоянная),
н
D - оптическая плотность пристеночного слоя (налета, отложений, осадка взвешенных веществ на стенках ячейки и вставки). Зависит от времени протекания процессов (времени протекания потока через ячейку). В любой фиксированный момент времени величина оптической плотности пристеночного слоя одинакова для любой точки на внутренней поверхности ячейки.
<mrow><msubsup><mi>D</mi><mi>п</mi><mi>i</mi></msubsup></mrow>
- оптическая плотность субстанции потока; в конической ячейке зависит от толщины слоя в выбранном сечении.
1
2
Соответственно, разность оптических плотностей ячейки D и D, зафиксированных в сечениях С1 и С2 (фигура 2), пропорциональна разности оптических плотностей потока в этих сечениях.
<mrow><msup><mi>D</mi><mn>1</mn></msup><mo>−</mo><msup><mi>D</mi><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>D</mi><mi>п</mi><mn>1</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>D</mi><mi>п</mi><mn>2</mn></msubsup><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>s</mi><mi>t</mi></mrow>
Поскольку существуют фиксированные зависимости оптической плотности от толщины слоя и концентрации примесей, сканирование световым лучом по разным толщинам ячейки позволяет вычленить «очищенную» оптическую плотность единицы объема потока и, как следствие, концентрацию загрязняющего компонента.
Анализатор оптоэлектрического сигнала (блок обработки сигнала) фиксирует ослабление светового потока (оптическую плотность ячейки) как минимум в двух точках (сечениях) ячейки 1. В соответствии с заложенным в него алгоритмом анализатор из полученных значений отбрасывает оптическую плотность налета на внутренних поверхностях ячейки и, используя предварительную калибровку, по «очищенной» оптической плотности потока рассчитывает и выдает исправленные значения концентрации микрочастиц в потоке.
Эти лишенные систематической погрешности, обусловленной налетом на внутренних поверхностях ячейки, значения концентрации микрочастиц в потоке анализатор выдает во время всего периода работы ячейки: с момента включения и до полной потери прозрачности ячейки.
Перед началом работы может быть проведена калибровка ячейки стандартным образом на модельной контролируемой субстанции по измерению светорассеяния в суспензиях с известной концентрацией микрочастиц.
После полной утраты прозрачности из-за налета на стенках грязную ячейку меняют на чистую или, при возможности, промывают (продувают) потоком увеличенной скорости.
Скорость оседания налета на стенках зависит от скорости потока субстанции. Для того чтобы скорость оседания частиц на поверхность стенок ячейки и вставки была одинаковой на всем протяжении ячейки, необходимо чтобы одинаковой была скорость потока, которая обратно пропорциональна площади проходного сечения ячейки. Для этого необходимо выдерживать равенство проходных площадей ячейки во всех ее сечениях по всей длине ячейки.
1
2
1
2
1
⌀
2
⌀
1
⌀
2
⌀
I
I
Пусть радиусы R и R - внутренние радиусы ячейки, а r и r - наружные радиусы вставки в сечениях С1 и С2 соответственно. То есть R=1/2, R=2/2, r=1/2, r=2/2 (фигура 2). Тогда площади проходных сечений С1 и С2 (фигура 2) равны:
<mrow><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mi>π</mi><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>R</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>r</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>π</mi><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>R</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>r</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
.
<mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>r</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>R</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>r</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
Из условия равенства площадей проходных сечений вытекает:
. И это соотношение должно быть выдержано по всей длине ячейки.
Дополнительными условиями соблюдения равенства толщины осадка на стенках ячейки и вставки и, как следствие, его оптической плотности являются обеспечение однородности (гладкости) внутренней поверхности ячейки и наружной поверхности прозрачной вставки, а также выбор зазора 8 (фигуры 1, 2) и положения ячейки относительно контролируемого потока такими, чтобы в условиях фактического применения ячейки предпочтительно обеспечивалась ламинарность потока.
Техническим результатом применения предлагаемого устройства в сравнении с прототипом является:
- уменьшение до нуля влияния загрязнения внутренних поверхностей ячейки налетом из содержащихся в потоке частиц, что обеспечивает повышение точности (достоверности) измерений концентраций частиц в объеме потока;
- а также возможность контроля различных сред как жидких, так и газовых (дымовых, пылевых), что означает расширение функциональности устройства.