БЕСКОНТАКТНЫЙ КОНЦЕНТРАТОМЕР ДЛЯ ЖИДКИХ ДИСПЕРСНЫХ СРЕД

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована при решении задач непрерывного контроля качества воды, экологического мониторинга, измерения концентрации дисперсной фазы эмульсий и суспензий.
Поточные контактные концентратомеры, как правило, представляют собой оптические турбидиметры или нефелометры [Андреев B.C., Попечителев Е.П. Лабораторные приборы для исследования жидких сред. - Л.: Машиностроение. - 1981. - С.99-101]. Их общим недостатком является загрязнение прозрачных окон излучателей и приемников, непосредственно соприкасающихся с контролируемой средой, вследствие чего погрешности измерения становятся очень большими, либо вообще нарушается работоспособность устройства. Существуют различные способы минимизации влияния этого фактора, например: разогрев стекол, обработка их гидрофобизирующими составами, применение механических очистителей, применение измерительных кювет с переменной толщиной рабочего слоя и т.д. [Беляков В.Л. Автоматизация промысловой подготовки нефти и воды. - М.: Недра. - 1988. - С.133]. Все они сложны и неэффективны.
Один из эффективных способов устранения влияния загрязнения окон на результат - использование бесконтактных схем построения мутномеров, в которых между оптическими элементами и жидкой средой находится воздушный промежуток. В их основе обычно лежат конструкции, в которых формируется свободная поверхность непрерывно протекающей жидкости с постоянным уровнем, над которой устанавливаются излучатель. Фотоприемник устанавливается либо над той же поверхностью жидкости, либо перпендикулярно вытекающей струе.
Сигнал на выходе последнего обычно пропорционален концентрации взвешенных частиц.
Примером реализации бесконтактных измерений мутности являются схемы с просвечиванием струи. В одном из таких устройств [Патент США №5489977. НКИ 356/73. МПК G 01 B 21/00. Опубл. 06.02.1996] формируется вертикальная струя жидкости, перпендикулярно ей располагается излучатель, просвечивающий струю, а перпендикулярно прямому лучу располагается фотоприемник, предназначенный для формирования нефелометрического сигнала.
Недостатком таких устройств является зависимость результата от состояния струи, нестабильности излучателя и фотоприемника, возможного запотевания или забрызгивания прозрачных окон последних.
Наиболее близким по функциональным и конструктивным признакам к предлагаемому устройству является бесконтактный мутномер-концентратомер [Патент РФ №2235991 на изобр. Бесконтактный мутномер / Фетисов B.C. Опубл. 2004, Бюл. изобр. №25], который содержит открытый сверху основной сосуд, имеющий патрубок в нижней боковой части для подачи жидкости и сливную горловину в дне для формирования свободно падающей равномерной струи, дренажную систему для отвода жидкости, переливающейся через верх основного сосуда и утекающей в виде падающей струи, излучатель, расположенный над поверхностью жидкости и просвечивающий сверху падающую струю, которая охвачена двумя кольцевыми фотоприемными матрицами, разнесенными по длине струи, причем каждая матрица состоит из множества равномерно распределенных по окружности фотоприемников, оси которых перпендикулярны направлению струи, а также схема управления и обработки сигналов. Выводы излучателя и фотоприемников подключены к схеме управления и обработки сигналов. В таком
устройстве струя относительно стабильна за счет постоянства уровня в основном сосуде. С выхода фотоприемной матрицы снимается нефелометрический сигнал, пропорциональный яркости рассеиваемого излучения, а значит, содержанию взвешенных частиц. Результат измерения не зависит от нестабильности поперечного сечения струи и ее отклонений от вертикального направления. Поскольку результат вычисляется через отношение сигналов фотоприемных матриц, которые примерно в равной степени подвержены влиянию забрызгивания или запотевания, то влияние этих факторов также минимально.
Однако это устройство имеет ограниченный порог чувствительности и низкую точность при малых значениях концентрации. Причина в том, что рассеиваемое частицами излучение в направлении под 90° относительно первичного луча имеет небольшую интенсивность, и при малой концентрации полезный сигнал фотоприемников становится неразличимым на фоне помех. Излучение, рассеиваемое частицами под меньшими углами (10...60°), значительно интенсивнее [Шифрин К.С. Введение в оптику океана. Гидрометеоиздат: Л., 1983, с.154-156]. Этот факт можно использовать для организации логометрических измерений по схеме, аналогичной той, что использована в прототипе [Патент РФ №2235991 на изобр. Бесконтактный мутномер / Фетисов B.C. Опубл. 2004, Бюл. изобр. №25].
Задача, решаемая в полезной модели, заключается в снижении порога чувствительности концентратомера и повышении его точности при малых значениях концентрации.
Задача решается тем, что в известном устройстве, содержащем открытый сверху основной сосуд, имеющий патрубок в нижней боковой части для подачи жидкости и сливную горловину в дне для формирования свободно падающей равномерной струи, дренажную систему для отвода
жидкости, переливающейся через верх основного сосуда и утекающей в виде падающей струи, излучатель, расположенный над поверхностью жидкости и просвечивающий сверху падающую струю, которая охвачена двумя кольцевыми фотоприемными матрицами, разнесенными по длине струи, причем каждая матрица состоит из множества равномерно распределенных по окружности фотоприемников, а также схему управления и обработки сигналов, к выводам которой подключены соответствующие выводы излучателя и фотоприемных матриц, в отличие от прототипа, окна фотоприемников направлены вверх так, что оси фотоприемников образуют с падающим лучом острый угол 15...45°, а над каждой фотоприемной матрицей размещены брызгозащитные экраны таким образом, что диаграммы направленности фотоприемников ими не перекрываются.
На фиг.1 схематично показан предлагаемый концентратомер. Устройство содержит открытый сверху основной сосуд 1, имеющий патрубок 2 в нижней боковой части для подачи жидкости и сливную горловину 3 в дне для формирования свободно падающей равномерной струи 4, дренажную систему 5 для отвода жидкости, переливающейся через верх основного сосуда 1 и утекающей в виде падающей струи 4, излучатель 6, расположенный над поверхностью жидкости и просвечивающий сверху падающую струю 4, которую охватывают две кольцевые фотоприемные матрицы 7 и 8, разнесенные по длине струи, причем каждая матрица состоит из множества равномерно распределенных по окружности фотоприемников, окна которых направлены вверх так, что оси фотоприемников образуют с падающим лучом острый угол 15...45°, а над фотоприемными матрицами размещены брызгозащитные экраны 9 и 10 таким образом, что диаграммы направленности фотоприемников ими не перекрываются. Устройство
содержит также схему управления и обработки сигналов 11, к выводам которой подключены соответствующие выводы излучателя 6 и фотоприемных матриц 7 и 8.
Устройство работает следующим образом. Через патрубок 2 в основной сосуд 1 непрерывно подается контролируемая жидкость. Жидкость поднимается вверх и затем переливается через стенки вниз, где собирается и удаляется с помощью дренажной системы 5. Кроме того, жидкость стекает в виде ровной и непрерывной струи 4 через сливную горловину 3. Этому способствует то, что в верхней части сосуда 1 создается свободная поверхность жидкости фиксированного уровня. Поскольку уровень не изменяется, то и гидростатичесое давление на дне сосуда 1 неизменно, и расход через горловину 3 нормализован. Жидкость, сливающаяся в виде струи 4, также собирается и отводится с помощью дренажной системы 5. В начале цикла измерения по сигналу контроллера 11 включается излучатель 6, который просвечивает объем жидкости в сосуде 1 и стекающую струю 4. Фотоприемники матриц 7 и 8 воспринимают рассеянное взвешенными частицами излучение в разных сечениях струи. Так как фотоприемники в каждой матрице включены параллельно, то их фототоки суммируются. Суммы фототоков подаются на соответствующие входы схемы управления и обработки сигналов 11, где они преобразуются в цифровую форму и обрабатываются по специальной программе вычисления концентрации. Расположение фотоприемников под острым углом относительно струи позволяет существенно снизить порог чувствительности при малых концентрациях и повысить точность измерений по сравнению с аналогами, где фотоприемники располагаются перпендикулярно струе. Это объясняется тем, что рассеиваемое частицами излучение в направлении до 45° относительно первичного луча значительно интенсивнее, чем излучение,
рассеиваемое под углом 90°. Однако очень малым этот угол делать нельзя из-за высокой вероятности забрызгивания окон фотоприемников, которые в этом случае придется располагать очень близко к струе. Поэтому оптимальный диапазон возможных углов между осями фотоприемников и струей - 15...45°. Дополнительную защиту от брызг, которые преимущественно падают на окна фотоприемников сверху, обеспечивают брызгозащитные экраны 9 и 10, расположенные таким образом, что диаграммы направленности фотоприемников ими не перекрываются.
В схеме управления и обработки 11 вычислительные преобразования заключаются, прежде всего, в нахождении отношения двух сигналов:
1
где U - сигнал, соответствующий фототоку матрицы 7;
2
U - сигнал, соответствующий фототоку матрицы 8.
Найденное отношение R свободно от нестабильности излучателя. Действительно, каждое из напряжений будет определяться по закону, аналогичному закону Бугера-Ламберта-Бера [Беляков В.Л. Автоматизация промысловой подготовки нефти и воды. - М.: Недра. - 1988. - С.129]:
0
где I - яркость излучателя,
1
2
1
2
К, К, k, k - некоторые коэффициенты,
1
2
r, r - расстояния от поверхности жидкости до первой и второй фотоприемной матрицы соответственно,
с - концентрация взвешенных частиц.
0
Если теперь поделить (2) на (3), то нестабильная составляющая I сократится, а результат R будет зависеть от с. Так как забрызгивание при наличии множества фотоприемников в среднем одинаково для обеих
1
2
матриц, то этот фактор также будет влиять на результат в минимальной степени (т.е. фактически это означает равенство коэффициентов K, К, которые сокращаются при делении (2) на (3)).
Затем по заложенной в памяти схемы управления 11 (в табличном или аналитическом виде) функциональной (градуировочной) зависимости определяется искомая мутность (концентрация взвешенных частиц с):
На этом цикл измерения заканчивается. Вычисленное значение индицируется на встроенном индикаторе схемы 11 или, при необходимости, передается во внешние информационные сети. На время вычислений излучатель 6 гасится в целях его более экономичной работы. Затем цикл повторяется.
Существенными отличительными элементами предлагаемого устройства являются фотоприемные матрицы 7 и 8, каждая из которых включает в себя множество направленных на струю под особым углом фотоприемников (например, фотодиодов), расположенных по окружности вокруг струи 4 и снабженных брызгозащитными экранами 9 и 10. Количество фотоприемников предпочтительно выбирать от трех и более, и они должны быть распределены равномерно по окружности. Раскрыв диаграммы направленности фотоприемников полезно делать как можно шире; по крайней мере он должен быть таким, чтобы при любых возможных деформациях и отклонениях струи 4 ее поперечное сечение вписывалось в угол раскрыва диаграммы направленности каждого фотоприемника. Расстояние от фотоприемников до струи выбирается таким, чтобы исключить забрызгивание фотоприемников. Предпочтительно выбирать диаметр окружности, по которой располагаются фотоприемники, на 4-8 мм больше диаметра струи. Лучшие результаты получаются при большем количестве фотоприемников. В этом случае чувствительность к концентрации будет выше, а погрешность от нестабильности струи меньше.
Фотоприемные матрицы 7 и 8 должны быть разнесены друг от друга
1
2
на такое расстояние, чтобы сигналы U и U в достаточной степени отличались друг от друга при изменении концентрации во всем возможном диапазоне. Опытным путем установлено, что для этого матрицы 7 и 8 должны быть разнесены на расстояние, в 10-20 раз превышающее диаметр струи 4 (в зависимости от диапазона возможных значений концентрации).
При практической реализации устройства не предполагается использование дорогих и дефицитных элементов. Излучатель 6 представляет собой светодиод достаточной мощности и с достаточно узкой угловой апертурой излучения или лазер. Предпочтительным частотным диапазоном излучателя является диапазон красного или инфракрасного излучения. В качестве фотоприемников матриц 7, 8 лучше всего использовать фотодиоды, например, ФД256. Количество фотоприемников предпочтительно выбирать от трех и более. Схема управления и обработки 11 может быть выполнена на основе одного из широко распространенных программируемых PIC-контроллеров фирмы MicroChip. Дренажная система 5 может состоять из нескольких элементов (например, водосборных желобов, трубочек, воронок и т.п.), которые в совокупности выполняют функцию сбора и отвода жидкости.
Описанное устройство обладает очевидным преимуществом по сравнению с прототипом: более низким (примерно на порядок) порогом чувствительности и более высокой точностью при малых концентрациях за счет более выгодного угла расположения фотоприемников.