АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ВОДОАНАЛИЗАТОР

Полезная модель относится к области технологического контроля химического состава воды. Может быть использована для анализа состава воды в промышленности, научных исследованиях и при экологическом мониторинге водной среды.
Известно устройство для экспресс-анализа промышленной чистоты жидкостей (RU, патент, 2356028, кл. G01N 15/02, 2009), которое состоит из источника зондирующего излучения (лазера), коллиматора, светоделительной пластины, опорного фотодиода, двух объективов и фотодиода. Струя жидкости, направленная перпендикулярно зондирующему излучению, образует в месте пересечения с ним рабочий объем протекания струи. Рассеянное излучение собирается объективами и фокусируется на фотодиод, регистрирующий величину сигнала и интенсивность рассеянного излучения.
Недостатком данного устройства является узкий диапазон измерений, возможность определения только количества механических примесей в воде, и размеров частиц механических примесей.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному устройству является устройство для анализа воды (RU, патент, 21332049, кл. G01N 15/04, 1999),содержащее измерительную кювету с двойными стенками, оборудованную входной и выходной трубками с электромагнитными
клапанами, переливной трубкой с датчиком заполнения воды, фотоприемник, измеряющий световой поток, прошедший через анализируемую воду, фотоприемники фиксирующие свет, отраженный частицами взвеси в разных слоях анализируемой воды и блок нормирующих преобразователей, дополнительно содержащий кольцевые электроды, расположенные в верхней и нижней частях измерительной кюветы и подключенные к релейному блоку и блоку нормирующих преобразователей, термометр сопротивления, расположенный между двойными стенками, поплавок, прикрепленный к стержню со щетками, расположенный со стороны фотоприемников, фиксирующих свет, отраженный частицами взвеси, гидротурбинку, расположенную в выходной трубке измерительной кюветы, ось которая прикреплена к металлической планке со щетками, электромагнит, расположенный под металлической планкой, и блок нормирующих преобразователей, к входу которого подключен датчик заполнения кюветы водой, а выходы связаны с блоком управления, выходы блока управления связаны через релейный блок с электромагнитными клапанами, кольцевыми электродами, источником света, электромагнитом. К входам блока нормирующих преобразователей подсоединены термометр сопротивления и фотоприемники, фиксирующие свет, отраженный частицами в разных слоях анализируемой воды, причем фотоприемников должно быть по меньшей мере два. Устройство относится к приборам для анализа воды по физико-химическим характеристикам: мутности, результатам седиментационного анализа, электропроводности, температуры, вязкости, электрофоретической подвижности и дзета-потенциалу взвеси.
Недостатком данного устройства является сложная конструкция и, как следствие, большая инерционность, низкая чувствительность и точность, отсутствие возможности дистанционного мониторинга и использования в полевых условиях.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в повышении точности измерения химического состава воды, увеличении быстродействия и чувствительности, уменьшении массы и габаритных размеров для возможности использования как для задач дистанционного мониторинга, так и с проботбором в полевых условиях.
Поставленная задача решается за счет того, что в акустооптическом водоанализаторе, содержащем источник света, фотоприемник и измерительную кювету, в отличие от прототипа, добавлены акустооптический монохроматор, корректор спектра, синхронный детектор, опорный вход которого соединен с генератором тактовых импульсов, блок обработки и индикации измеряемых параметров, подключенный к выходу синхронного детектора, а также блок управления на базе микроконтроллера, соединенный с управляющими входами генератора тактовых импульсов и блока обработки и индикации, усилитель с регулируемым коэффициентом передачи, вход управления которого соединен с блоком управления, последовательно соединенные синтезатор частот, вход установки частоты которого соединен с блоком управления, и модулируемый усилитель мощности, управляющий вход которого соединен с выходом тактового генератора, а выход с управляющим входом акустооптического монохроматора, уголковый отражатель, оптически связанный через светоделитель с источником света и акустооптическим монохроматором, трансформирующий объектив, источник света, выполнен лазерным и последовательно оптически соединенный со светоделителем посредством волоконно-оптического кабеля.
На фиг. изображена блок-схема заявляемого акустооптического водоанализатора.
Заявляемый акустооптический водоанализатор, содержит лазерный источник света 1, оптически связанный волоконно-оптическим кабелем 2, на котором установлен оптический изолятор 3, со светоделителем 4, оптически соединенной с кюветой 5 и уголковым отражателем 6, и последовательно оптически соединенный с корректором спектра 7, акустооптическим монохроматором 8, фотоприемником 9, который соединен с усилителем 10, соединенным с синхронным детектором 11, который соединен с блоком обработки и индикации 12 и тактовым генератором 13, который соединен с блоком управления на базе микроконтроллера AT90S8515 14, последовательно соединенным с синтезатором частот 15, непосредственно соединенным с усилителем мощности 16, тактовый генератор 13 соединен с усилителем мощности 16, выход которого соединен с управляющим входом акустооптического монохроматора 8, блок управления на базе микроконтроллера 14 соединен с усилителем 10, трансформирующий объектив 17.
Заявляемый акустооптический водоанализатор работает следующим образом. Пучок света, излучаемый лазерным источником света 1, попадает в волоконно-оптический кабель 2, проходит сквозь оптический изолятор 3 и поступает на светоделитель 4, проходит через кювету с анализируемой водой 5 и падает на уголковый отражатель 6, затем возвращается через кювету с анализируемым водой 5 на светоделитель 4, откуда отражается на корректор спектра 7 и попадает на акустооптический монохроматор 8, на который также поступает радиоимпульс, образованный из частоты, получаемой от синтезатора частот 15, модулированной тактовым генератором 13 в модулируемом усилителе мощности 16. Акустооптический монохроматор 8 пропускает на фотоприемник 9 поток излучения в узкой спектральной полосе, соответствующей длине волны, определяемой частотой синтезатора.
Спектральное выделение и переключение рабочих полос осуществляется с помощью акустооптического монохроматора 8, совместно с синтезатором частот 15 и модулируемым усилителем мощности 16 по сигналам от блока управления на базе микроконтроллера AT90S8515 14. Электрический сигнал, полученный от фотоприемника 9, усиливается усилителем 10, коэффициент передачи которого устанавливается (подбирается) с блока управления 14 и детектируется синхронным детектором 11.
Трансформирующий объектив 17 применяется при дистанционных бескюветных измерениях и позволяет расширить световой пучок и уменьшить его сходимость, что дает возможность проводить измерения на трассах определенного интервала длин. Возвращаемый уголковым отражателем 6 световой пучок вновь трансформируется по угловой и пространственной апертурам к исходным размерам.
k
k
k
k
k
k
k
T
O
T
Сигнал на выходе синхронного детектора 11 пропорционален потоку излучения Ф на заданном, ранее выбранном множестве точек спектра λ (k=1.m). Этот сигнал поступает в блок обработки и индикации 12, который может быть выполнен, например, в виде последовательно соединенных аналогового интегратора, аналого-цифрового преобразователя и электронно-вычислительной машины. Сигнал S с выхода синхронного детектора 11 в блоке обработки и индикации 12 корректируется (уменьшается) на значение темнового фотосигнала S  и нормируется на значение сигнала S , полученного когда кювета была “пустая” или заполненная чистой водой, и скорректированного на величину S . Коэффициент пропускания Т воды (водной среды) в k-том спектральном канале и вычисляется по формуле:
k
k
k
Для расчета концентрации используется ослабление сигнала d(λ), связанное с коэффициентом пропускания соотношением d(λ)=-lnT.
Согласно физической модели, общее ослабление потока излучения, прошедшего через воду (водную среду), составит:
p
k
k
где σ(λ) - сечение поглощения р-й смесью при длине волны λ;
p
n - концентрация p-й примеси;
L - длина оптического пути потока излучения внутри кюветы;
k
C(λ) - оптическое ослабление, вызванное прочими факторами (загрязнение оптических поверхностей и др.)/
p
0
k
p
k
p
Определение концентрации примесей n сводится к разложению измеренной спектральной функции d(λ) по спектрам поглощения σ(λ) и определению коэффициентов разложения n.
В результате выполнения измерений на всех выбранных спектральных каналах задача сводится к решению системы m линейных, уравнений с R неизвестными (R<m):
<BR>C,
p
где элементы матрицы A определяются константами поглощения воды а, элементы вектора C измеренными данными. Вектор B содержит концентрации искомого образца воды n.
Таким образом применение акустооптического водоанализатора позволяет повысить точность измерения химического состава воды, увеличить быстродействие и чувствительность, уменьшить массу и габаритные размеры существующих устройств анализа воды и получить возможность проведения экологического мониторинга, как с проботбором в полевых условиях, так и дистанционно.