Нефелометрический мутномер

Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно к устройствам, применяемым для измерения мутности жидкостей.
В качестве аналогов рассмотрен бесконтактный поточный мутномер (RU 2235310 С1 от 03.04.2003 г.) [1] и интеллектуальный бесконтактный мутномер (RU 2559164 С1 от 05.05.2014 г.) [2], которые используются при решении задач непрерывного контроля качества воды и других жидкостей и работают при принудительной циркуляции через них жидкости.
Бесконтактный поточный мутномер, описанный в патенте RU 2235310 [1], содержит: открытый сверху основной сосуд, имеющий патрубок в нижней части для подачи жидкости, сосуд-сборник для отвода жидкости, переливающейся через верх основного сосуда, излучатель, фотоприемник, расположенные над поверхностью жидкости. Основной сосуд расположен вертикально, над поверхностью жидкости дополнительно размещены второй излучатель и второй фотоприемник, оси излучателей и фотоприемников параллельны и вертикальны и расположены в одной плоскости; оси излучателей обращены к стенкам основного сосуда, а оси фотоприемников - к центру сосуда; первые излучатель и фотоприемник разделены вертикальной светонепроницаемой перегородкой, имеющей горизонтальную прорезь, находящуюся в жидкости в непосредственной близости от ее поверхности, и загнутый к центру сосуда нижний край, не соприкасающийся с дном основного сосуда, вторые излучатель и фотоприемник расположены симметрично первым относительно оси сосуда и также разделены аналогичной перегородкой; выводы всех излучателей и фотоприемников подключены к схеме управления и обработки сигналов.
Недостатком аналога [1] является то, что его конструкция не предусматривает калибровки по стандартным эталонам мутности, схема излучения и регистрации света прибора принципиально отличается от схем, используемых в лабораторных мутномерах, показания прибора не предоставляются в принятых единицах измерения мутности (NTU, FAU, FNU).
Мутномер, описанный в патенте RU 2559164 [2] содержит: сосуд-стабилизатор с входным патрубком, дренажной системой и донной горловиной, а также эталоны мутности, устройство подачи эталонов, измерительно-управляющий блок и бесконтактный датчик, охватывающий исследуемый поток жидкости и подключенный к соответствующему входу измерительно-управляющего блока. Донная горловина сосуда-стабилизатора связана с электромагнитным прерывателем потока, управляющий вход которого соединен с соответствующим выходом измерительно-управляющего блока. С выхода электромагнитного прерывателя потока вытекает свободно падающая струя; эталоны мутности представляют собой цилиндрические капсулы с жидкостью известной мутности, устройство подачи эталонов выполнено в виде дискового карусельного податчика с шестью отверстиями, одно из которых предназначено для пропускания струи, а остальные пять - для размещения эталонов; дисковый карусельный по датчик размещен на валу, механически связанном с управляющим электроприводом, управляющий вход которого подключен к соответствующему выходу измерительно-управляющего блока, управляющий электропривод и бесконтактный датчик расположены на неподвижной платформе, имеющей шесть отверстий, соответствующих отверстиям дискового карусельного податчика, причем в пяти отверстиях для эталонов размещены электромеханические актуаторы, охватывающие эталоны и подсоединенные к соответствующему управляющему выходу измерительно-управляющего блока.
Недостатком аналога [2] является то, что для его калибровки используется сложная подвижная механическая конструкция с капсулами, содержащими стандартные образцы мутной жидкости.
В качестве прототипа рассмотрен портативный мутномер 2100Q / 2100Q IS [3], описанный http://hach.nt-rt.ru/images/manuals/2100Q_2.pdf и предназначенный для измерений мутности методом нефелометрии при оценке качества сточных и питьевых вод. В качестве источника света используется лампа накаливания с вольфрамовой нитью (2100Q) или высокоинтенсивный светодиод 860 нм (2100Q IS). Для калибровки мутномера используются эталоны мутности в герметичных ампулах (10, 20, 100, 800 NTU). Для проведения анализа жидкости на мутность образец жидкости помещается в кювету для измерений, которая устанавливается в портативный прибор с источником света и двумя светодетекторами.
Основным общим недостатком аналогов и прототипа является то, что они все поверхностные и не могут быть использованы для проведения измерений мутности жидкости непосредственно внутри водных скважин, емкостей и открытых водных бассейнов (водоотстойники, пруды, озера, моря и т.п.) без использования специальных пробоотборников или батометров для забора проб с разных глубин, что усложняет конструкцию и процесс отбора, влияет на достоверность результатов.
Технический эффект полезной модели - создание устройства, обеспечивающего более простой и более надежный процесс измерения мутности жидкости непосредственно внутри скважин, бассейнов и емкостей на любых глубинах без необходимости отбора проб жидкости из них.
Задача заключается в возможности реализации этой задачи, т.е. реализация возможности анализа проб жидкости непосредственно в водоеме,.
Технический эффект достигается тем, что предложен нефелометрический мутномер, содержащий: герметичный бокс с иллюминатором, в котором размещена видеокамера, соединительный фланец, который крепится к дну герметичного бокса с помощью винтов, экран в виде цилиндрической стенки, окружающий нижнюю часть герметичного бокса, присоединенный с помощью резьбы к соединительному фланцу, один полый цилиндр, присоединенный с помощью резьбы к соединительному фланцу, причем иллюминатор совмещен с отверстием полого цилиндра, и по внутренней поверхности стенки первого полого цилиндра в верхней его части выполнена канавка, в которой установлены источники света. Устройство содержит также второй полый цилиндр с внутренним отверстием в форме конуса, причем оба цилиндра соединены с помощью соединяющего элемента, и внутри второго цилиндра закреплен экран в форме усеченного шара, причем все внутренние поверхности устройства имеют чернение для устранения рассеяния света на поверхности стенок; герметичный бокс в верхней части снабжен подвесом для погружения устройства в водоем. Предложено использование практически любой видеокамеры в герметичном боксе, которая предназначена для погружения в качестве фотодетектора в совокупности с источником света вне герметичного бокса и осуществления их совместной калибровки с помощью стандартных эталонов мутности.
Сущность предлагаемого устройства поясняется рисунком 1.
1 - первый полый цилиндр, 2 - канавка, 3 - источники света, 4 - соединительный фланец первого полого цилиндра с герметичным боксом, например, переходное кольцо, 5 - цилиндрический экран, окружающий окружающий нижнюю часть герметичного бокса 6 - второй полый цилиндр с коническим отверстием, 7 - экран в форме усеченного шара, 8 - крепление экрана 7 к стенке второго цилиндра с коническим отверстием, 9 - винты для крепления соединительного фланца 4 с герметичным боксом 10, 10 - герметичный бокс с видеокамерой, окружающий нижнюю часть герметичного бокса и присоединненый к нему с помощью винтов; 11 - иллюминатор герметичного бокса с видеокамерой, 12 - подвес герметичного бокса с видеокамерой.
Предлагаемое устройство включает: полый цилиндр 1 с внутренней канавкой 2, в которой равномерно в глубине канавки расположены четыре источника света 3. При этом канавка 2 имеет такую глубину, которая исключает прямое попадание света от источников 3 в иллюминатор 11 герметичного бокса 10, соединительный фланец 4 прикручивается с помощью резьбы к полому цилиндру 1, а затем присоединяется к герметичному боксу 10 с помощью винтов 9, и на соединительный фланец 4 с помощью резьбы присоединяется экран 5, окружающий нижнюю часть первого полого цилиндра; при этом размеры переходного кольца 4 и экрана 5 выбираются исходя из габаритных размеров герметичного бокса 10; к полому цилиндру 1 с помощью резьбы присоединяется второй полый цилиндр 6 с коническим внутренним отверстием, в котором закреплен экран 7 в форме усеченного шара, прикрепленный к полому цилиндру 6 посредством 3-х креплений 8, расположенных под 120 градусов.
Полезная модель, в состав которой входит видеокамера в герметичном водонепроницаемом боксе, использует нефелометрический метод измерения мутности, при котором поступающий от источников света 3, свет рассеивается под 90° и попадает на светочувствительный элемент, которым в полезной модели является матрица видеокамеры.
Для снижения светового потока из окружающей среды на иллюминатор 11 устройство снабжено экраном 5 цилиндрической формы и экраном 7 в форме усеченного шара. Форма шара при опускании мутномера в жидкость уменьшает сопротивление потоку жидкости, который проходит через кольцевой зазор между экраном 7 и цилиндром с коническим отверстием 6 и далее через отверстие в полом цилиндре 1 поступает к иллюминатору герметичного бокса видеокамеры 11 и выходит через кольцевой зазор между герметичным боксом 10 и экраном 5. Все внутренние поверхности деталей полезной модели, через которые протекает жидкость (за исключением иллюминатора 11) имеют чернение для устранения рассеяния света на стенках. Интенсивность источников света 3 внутри устройства превышает интенсивность внешней засветки, поступающего из окружающей среды настолько, что внешний свет не оказывает влияние на измерения. Источники света 3 освещают жидкость, находящуюся перед иллюминатором 11. Свет, рассеянный под 90° на частицах, содержащихся в жидкости, поступает в иллюминатор 11 и затем фиксируется видеокамерой. Полученное изображение записывается видеокамерой для последующей обработки на компьютере с помощью программы с целью получения значения мутности жидкости в единицах мутности.
Устройство позволяет получать значение мутности жидкостей в единицах мутности NTU. Видеокамера создает изображение в цветовом пространстве RGB. Для количественной оценки светлой составляющей изображения оно переводится в цветовое пространство Lab. В цветовом пространстве Lab значение светлоты отделено от значения хроматической составляющей цвета (тон, насыщенность). Светлота задана координатой L (изменяется от 0 до 100, то есть от самого темного до самого светлого), хроматическая составляющая - двумя декартовыми координатами а и b. Первая обозначает положение цвета в диапазоне от зеленого до красного, вторая - от синего до желтого. Изображение, сделанное видеокамерой, количественно измеряется в единицах канала светлоты L. Для перевода единиц измерения светлоты в диапазоне от 0 до 100 в единицы измерения мутности (NTU), устройство калибруется на образцах формазиновой суспензии совместно с используемой видеокамерой. Калибровка позволяет построить график соответствия численных значений канала светлоты L численным значениям мутности в единицах NTU с учетом фонового рассеяние света внутри устройства и чувствительности видеокамеры к свету.
Калибровка устройства с помощью стандартных образцов формазиновой суспензии производится следующим образом. Полый цилиндр 1 с помощью соединительного фланца 4 и винтов 9 присоединяется к герметичному боксу 10 с видеокамерой. В отверстие полого цилиндра 1 помещают стандартную цилиндрическую капсулу с образцами формазиновой суспензии. При включенной видеокамере и включенных источниках света 3 в условиях отсутствия внешнего освещения, внутрь полого цилиндра поочередно помещаются капсулы со стандартными образцами формазиновой суспензии. По результатам измерений на образцах строится график зависимости единиц NTU от единиц канала светлоты L для используемой видеокамеры.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Перед погружением устройства в жидкость с целью проведения измерений, при включенной видеокамере и включенных источниках света 3 в условиях отсутствия внешнего освещения внутрь полого цилиндра 1 помещается капсула одного из образцов формазиновой суспензии для определения постоянной погрешности предстоящих измерений. Затем капсула с формазиновой суспензией извлекается и к полому цилиндру 1 прикручивается цилиндр с коническим отверстием 6 и экраном в виде усеченного шара 7.
Включается видеокамера и источники света 3. Напряжение на источники света может быть подано от аккумуляторов, установленных внутри герметичного бокса с видеокамерой или от источника питания на поверхности. К подвесу 12 герметичного бокса видеокамеры прикрепляется трос внешнего опускного устройства (лебедки), и устройство опускается в жидкость, например, в водоем. Глубина погружения устройства и видеозапись синхронизируются по времени. После извлечения устройства из жидкости отснятый материал представляется в единицах светлоты L, а затем переводится с помощью компьютерной программы и калибровочного графика в единицы мутности NTU.
Точность представления результатов в единицах мутности зависит от стабильности источников света в устройстве, учета постоянной погрешности, определенной непосредственно перед измерениями и точности калибровки устройства совместно с видеокамерой с помощью стандартных образцов формазиновой суспензии.
Предлагаемое устройство по сравнению с аналогами и прототипом обладает новым качественным свойством, которое заключается в том, что оно производит измерения мутности жидкости на любой глубине без проведения калибровки в водоеме, что обеспечивает более простой и более надежный процесс измерения мутности жидкости непосредственно на месте.
Литература
1. Патент РФ №2235310, приоритет 03.04.2003 МПК G01 N21/49
2. Патент РФ №2559164, приоритет 05.05.2014. МПК G01 N21/49
3. Портативный мутномер
http://hach.nt-rt.ru/images/manuals/2100Q_2.pdf - прототип