ПОТОЧНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ КОНЦЕНТРАЦИИ ВЗВЕШЕННОЙ ФАЗЫ В ЖИДКОЙ СРЕДЕ

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для непрерывного контроля качества воды, экологического мониторинга, измерения концентрации эмульсии и суспензий.
Фотоэлектрические устройства для измерения концентрации взвешенной фазы в жидких средах, как правило, представляют собой оптические турбидиметры или нефелометры [Андреев B.C., Попсчителев Е.П. Лабораторные приборы для исследования жидких сред. - Л.: Машиностроение. - 1981. -С.99-101].
Недостатком многих из них является загрязнение прозрачных окон излучателей и приемников, непосредственно соприкасающихся с контролируемой средой, вследствие чего погрешности измерения становятся большими, либо вообще нарушается работоспособность прибора. Существуют различные способы минимизации влияния данного фактора» например: применение механических очистителей, применение разогрева стекол, нанесение специальных антиадгезионных покрытий и т.д. [Беляков В.Л. Автоматизация промысловой подготовки нефти и воды. - М.: Недра. _ 1988. - С.133]. Все они сложны и неэффективны.
Радикальным средством повышения метрологической надежности таких концешратомеров является применение логометрического принципа измерений [Фетисов B.C., Валеев В.Т. Логометрический принцип построения поточных мутномеров // Экологические системы и приборы. -
2002. - №2. - С.6-7], согласно которому осуществляется переход от измерений абсолютных значений величин к измерениям их отношений, которые свободны от многих нестабильных составляющих (в частности, от степени загрязнения окон и нестабильности излучателя). Причем лучше, если логометрический принцип реализуется с одной парой «излучатель-приемник» и вариацией т.н. параметра разделения [Беляков В.Л. Автомагический контроль параметров нефтяных эмульсий. - М.: Недра, 1992, с.146], - т.е. такого параметра, два достаточно сильно различающиеся значения которого соответствуют различным сигналам приемника, которые можно включить в логометрическое отношение; например, в оптических концентрагомерах на базе турбидиметров или нефелометров таким параметром разделения может быть расстояние между приемником и излучателем, угол между их осями направленного действия, длина волны излучения и др.; часто для реализации такого рода логометрических отношений вводят в конструкцию датчика подвижные элементы, как это сделано в турбидиметре [Фетисов B.C., Валеев В.Т. Логометрический принцип построения поточных мутномеров // Экологические системы и приборы. - 2002. - №2. - С.6-7]; но преимуществом такого рода реализации является использование одной и той же пары «излучатель-приемник» для формирования обоих сигналов; при этом на результат не влияют даже сильные загрязнения окон.
Однако при измерениях концентрации взвешенной фазы в жидкостях на результат сильное влияние оказывает также дисперсность этой фазы, т.е.
средний размер частиц. Известно, что этот фактор сильно влияет на угловое распределение интенсивности рассеиваемого излучения [Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1989, С.201]. Следовательно, инвариантные измерения концентрации частиц возможны, если измерять интенсивность излучения, рассеянного под различными углами, а затем вычислять концентрацию (а если нужно, и дисперсность) по градуировочным зависимостям. На таком принципе основан, например, анализатор микрочастиц «Ласка-2К» российской фирмы «ЛЮМЭКС» [Лазерный анализатор микрочастиц «Ласка-2К»: Рекламный проспект НПФ «ЛЮМЭКС», 2003. (доступно на сайге http://www.luniex.ru/ rus/product/41.html)]. В этом устройстве излучатель просвечивает измерительную кювету с образцом жидкости. Напротив кюветы, по пути распространения луча, расположена линейка фотоприемников, каждый элемент которой воспринимает рассеянное под определенным углом излучение. Сигналы с фотолриемников поступают на измерительную схему. Однако это устройство плохо приспособлено к непрерывным поточным измерениям, т.к. загрязнения прозрачной кюветы приведут к погрешностям измерений.
Наиболее близким по функциональным и конструктивным признакам к предлагаемому устройству является фотоэлектрическое устройство [Заявка на патент РФ №92014796. Фотоэлектрическое устройство для измерения размеров и числа частиц в жидкостях или газах / Воронов А.Ф., Логвинов Л.М., опубл. 27.02.1995, G 01 N 15/02], содержащее излучатель,
фотоприемное устройство, измерительную камеру и конгроддер, причем измерительная камера размещена между излучателем и фотоприемным устройством, а фотоприемное устройство состоит из множества распределенных фотоприемников, соединенных с контроллером. Свет от излучателя направляется в измерительную камеру с протекающей жидкостью и рассеивается по различным направлениям. Распределение интенсивности рассеяния по углам фиксируется фотоприемным устройством, сигналы которого служат основой для вычисления концентрации контроллером.
Однако, метрологическая надежность данного устройства невысока из-за возможных неравномерных загрязнений стенок измерительной камеры и нарушения равенства прозрачности оптических каналов для каждого фотоприемника. Этот недостаток особенно сказывается при липкой дисперсной фазе.
Задача, решаемая в полезной модели, заключается в повышении точности и метрологической надежности устройства за счет устранения различных факторов нестабильности передачи и приема оптического сигнала, а именно за счет того, что измерения, учитывающие угловое распределение интенсивности рассеяния, осуществляются одной парой «излучатель-приемник».
Задача решается тем, что в известном устройстве, содержащем излучатель, фотоприемное устройство, измерительную камеру и контроллер, где излучатель и фотоприемное устройство связаны с контроллером, в отличие от прототипа, фотоприемное устройство включает в себя один
фотоприемник, полый держатель и реверсивный электродвигатель, снабженный поворотным шифратором, причем один конец держателя жестко связан с валом электродвигателя, а на другом закреплен фотоприемник, который электрически связан с сигнальными входами контроллера гибкими проводами, проложенными через держатель, электродвигатель и поворотный шифратор также связаны своими выводами с соответствующими выводами контроллера, фотоприемник обращен своей чувствительной частью к центру вращения, а траектория его движения симметрична относительно луча излучателя и лежит с ним в одной плоскости.
На фиг.1 схематично показана одна из возможных реализации предлагаемого устройства, а на фиг.2 показаны возможные диаграммы напряжения на выходе фотоприемника.
Устройство по фиг.1 содержит: измерительную камеру 1 цилиндрической формы, имеющую патрубки 2 и 3 для подачи и отвода контролируемой жидкости; излучатель 4, находящийся в боковой стенке камеры 1; фотоприемное устройство, включающее в себя фотоприемник 5, полый держатель 6 и реверсивный электродвигатель 7, снабженный поворотным шифратором 8; контроллер 9. Один конец держателя 6 жестко связан с валом электродвигателя 7, а на другом закреплен фотоприемник 5, который электрически связан с сигнальными входами контроллера 9 гибкими проводами, проложенными через держатель 6. Электродвигатель 7 и поворотный шифратор 8 также связаны своими выводами с соответствующими выводами контроллера 9. Держатель 6, выведенный из
6 камеры 1 наружу через сальник 10, особым образом изогнут так, что фотоприемник 5 обращен своей чувствительной частью к центру вращения, а траектория его движения симметрична относительно луча излучателя 4 и лежит с ним в одной плоскости. Электродвигатель 7 с шифратором 8 закреплены на наружной поверхности камеры 1 с помощью опоры 11.
Устройство работает следующим образом. Через патрубок 2 в измерительную камеру 1 непрерывно подается контролируемая жидкость. Жидкость поднимается вверх и, достигнув уровня выводного патрубка 3, удаляется из камеры 1. В начале цикла измерения по сигналу контроллера 9 включается излучатель 4, который просвечивает объем жидкости в измерительной камере 1, одновременно контроллер включает электродвигатель, после чего держатель 6 с закрепленным на нем фотоприемником 5 начинает вращение с постоянной угловой скоростью. Фотоприемник 5 воспринимает излучение, рассеянное взвешенными частицами под разными углами. Код, соответствующий текущему углу поворота вала электродвигателя (а значит, углу между осями действия фотоприемника 5 и излучателя 4), непрерывно подается в контроллер 9, где он программно анализируется: как только угол между осями действия фотоприемника 5 и излучателя 4 становится равным 0° контроллер реверсирует электродвигатель (например, сменой полярности питающего напряжения), и направление вращения изменяется. А в процессе вращения отдельные состояния кода поворотного шифратора 8 служат сигналом для взятия отсчетов выходных напряжений фотоприемника 5. Таким образом,
ось действия фотоприемника 5 периодически поворачивается на ±360°. Сигнал фотоприемника 5 при этом примерно будет выглядеть, как показано на фиг.2. Кривая 1 соответствует большим значениям концентрации, а кривая 2 - малым (при фиксированной дисперсности).
Значения выходного напряжения фотоприемника 5, соответствующие нескольким значениям углов поворота (взятым, например, с дискретностью 30°), преобразуются в контроллере в цифровой код и запоминаются. После каждого поворота контроллером реализуется подпрограмма вычисления концентрации взвешенных частиц по формуле:
где С - искомая концентрация;
1
2
N
1
1
0
2
2
0
N
N
0
1
2
N
0
R, R,...R - логометрические отношения вида R=U/U, R=U/U,...R=U/U, где U, U,...U - значения выходного напряжения фотоприемника, соответствующие различным углам поворота, a U -опорный сигнал, в качестве которого берут напряжение выхода фотоприемника при угле поворота 180° (т.е. когда фотоприемник расположен строго напротив излучателя);
F - функция, вид которой определяется при градуировке. Вычисление С через логометрические отношения делает результат независимым от нестабильности излучателя и загрязнений окон излучателя и фотоприемника. Так как угловое распределение рассеяния зависит от дисперсности частиц, то результат, вычисляемый по формуле (1), не зависит от дисперсности.
Вычисленное значение С индицируется на встроенном индикаторе контроллера и (или) передается по коммуникационной сети.
При необходимости по формуле, аналогичной (1), может вычисляться и средний размер частиц (дисперсность).
Реализация описанного устройства может отличаться для различных конкретных его применений. Например, проточная измерительная камера 1 может иметь исполнение, допускающее работу под давлением. В этом случае просто более строгие требования будут предъявляться к сальнику 10. Электродвигатель 7 может быть любого типа, подходящий по мощности, желательно со встроенным редуктором. Например, это может быть двигатель постоянного тока, тогда реверс осуществляется сменой полярности напряжения на обмотке. Поворотный шифратор - серийный, например, фирмы Pepperi+Fuchs [Жданкин В.К. Поворотные шифраторы фирмы Pepperi+Fuchs // Современные технологии автоматизации. - 2001. - №3. - С.6-24]. Излучатель- серийный инфракрасный лазер или светодиод (например, отечественный АЛ 119). Фотоприемником может быть фотодиод, например, ФД256. В качестве контроллера лучше всего использовать одноплатные промышленные микрокомпьютеры, например, фирм Advantech или Octagon Systems, либо более дешевые PIC- контроллеры фирмы Microchip.
По сравнению с прототипом предлагаемое устройство обладает повышенной точностью и метрологической надежностью, т.к. практически любые загрязнения окон фотоприемника и излучателя не влияют на результат.