ДАТЧИК КИСЛОРОДА ПОГРУЖНОЙ

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для измерения концентрации кислорода, растворенного в воде.
Из уровня техники известны конструкции датчиков измерения растворенного в воде кислорода, использующие различные подходы, например, метод электрохимического анализа (RU 2469306 С1, МПК G01N 27/49, 11.08.2011) [1], (RU 25224 U1, МПК G01N 27/28, 23.01.2002) [2], или с помощью люминесцентного спектрально-кинетического анализатора вместо диодов и сенсоров (RU 2667678 С1, МПК G01N 21/62, G01J 1/58, 13.07.2017) [3], либо люминесцентный метод (RU 2235312 С2, МПК G01N 21/64, 10.10.2002) [4], (RU 2172948 С1, МПК G01N 21/64, 30.12.1999) [5], (RU 2156969 С1, МПК G01N 21/64, 02.02.1999) [6].
Известные конструкции, особенно представленные в патентах [3]-[6], включают в основе своего устройства хемочувствительный сенсор, восприимчивый к наличию кислорода в водной среде. Оценить количество кислорода можно с помощью измерения степени гашения его люминесценции под действием возбуждающего синего света. Чем больше концентрация растворенного кислорода, тем меньше люминесценция. В конструкции датчика имеется светоизлучающий диод, являющийся источником синего света, который вызывает люминесценцию в хемочувствительном слое, сопровождающуюся излучением красного света. Этот свет, пройдя через красный светофильтр, удаляющий синюю составляющую, захватывается фотоприемным сенсором, установленным над чувствительным к кислороду слоем, а уже затем вычислительный и программный комплекс дает оценку количества кислорода в воде.
В отличии от известных конструкций, где не учитываются ситуации, когда главное вещество хемосенсора вымывается или окисляется под действием самого кислорода или других растворенных веществ, а также при фотодеградации в процессе использования, в основную конструкцию датчика вносятся цифровой термометр и дополнительный светоизлучающий диод красного свечения, который является диодом сравнения и с помощью специального алгоритма может проводить калибровку для более точного результата.
Задача полезной модели состоит в автоматическом устранении возникающей погрешности прибора с помощью дополнительного диода красного свечения и цифрового термометра для термокомпенсации, а также в упрощении конструкции прибора с помощью использования сдвоенного однокорпусного диода синего и красного света.
Технический результат - значительное продление срока эксплуатации и упрощение обслуживания датчика за счет введения автоматической калибровки и термокомпенсации.
Указанный технический результат достигается тем, что датчик кислорода содержит диод красного свечения в паре с диодом синего свечения и цифровой термометр, а конструкция самого датчика имеет некоторое переосмысление. Полезная модель поясняется чертежом.
Датчик кислорода в нижней своей части содержит (чертеж) оптически прозрачную пластину 1 с нанесенным снаружи хемочувствительным слоем 2, контактирующим с растворенным в воде кислородом. Для герметичности пластина через силиконовую прокладку 3 прижата фиксирующей гайкой 4 к корпусу 5, выполненному из нержавеющей стальной трубы. Фотоприемный сенсор 6 принимает свечение хемочувствительного слоя, через красный светофильтр 7, отсекающий синий свет диода возбуждения флуоресценции 8, выполненного в одном корпусе с дополнительным диодом красного света 9. Сигнал сенсора усиливается и оцифровывается аналогово-цифровым преобразователем 10.
Синий и красный кристаллы диода светятся короткими вспышками попеременно, для формирования которых служит блок управления импульсами 11. Блоки 10 и 11 управляются микроконтроллерным вычислительным устройством 12. Для автоматической термокомпенсации показаний датчика, в конструкцию введем цифровой термометр 13. Верхняя часть корпуса 5 закрыта через силиконовую прокладку крышкой из нержавеющей стали 14 в которой установлен кабельный ввод 15 для подключения электрического кабеля 16.
Работает устройство следующим образом: в процессе эксплуатации, при погружении, оптически прозрачная пластина 1 контактирует с исследуемой водой хемочувствительным слоем 2, вызывая в нем равновесные химические превращения, сопровождающиеся обратимым изменением его флуоресцентных свойств. Синий диод 8, управляемый блоком 11, создает короткие световые вспышки необходимой длительности, которые возбуждают флуоресценцию в хемочувствительным слое 2, заставляя его светиться красным светом, который, проходя через красный светофильтр 7, попадает на фотоприемный сенсор 6, превращающий его в аналоговый электрический сигнал, оцифровываемый с помощью блока АЦП 10 для дальнейшей обработки. Попеременно, между вспышками синего света, блок 11 формирует вспышки красного света, излучаемые диодом 9. Красный свет рассеивается хемочувствительным слоем, не вызывая его флуоресценцию и фиксируется фотоприемником 6, что необходимо для оценки количества оставшегося в пленке активного вещества, при его постепенном вымывании и деградации. Единое вычислительное устройство 12, производит математическую обработку данных, полученных при синих и красных вспышках света, а также данных со встроенного цифрового термометра 13, результат измерения концентрации кислорода в мг/л передается на внешнее устройство по электрическому кабелю.
Изготовлен опытный образец заявляемой полезной модели, который протестирован на научно-исследовательском судне (НИС) Денеб и в акваториях Азовского и Черного морей, а также на установках замкнутого водоснабжения аквакомплекса ЮНЦ РАН. Спустя два года эксплуатации, за счет применения дополнительного диода красного свечения, у прибора отсутствовал дрейф показаний, связанный с вымыванием и деградацией хемочувствительного слоя, в то время, как у приборов аналогов, снабженных только диодом синего света, этот дрейф присутствовал, что требовало проведения регулярной калибровки.
Источники информации:
1. RU 2469306 С1, МПК G01N 27/49, 11.08.2011.
2. RU 25224 U1, МПК G01N 27/28, 23.01.2002.
3. RU 2667678 С1, МПК G01N 21/62, G01J 1/58, 13.07.2017.
4. RU 2235312 С2, МПК G01N 21/64, 10.10.2002.
5. RU 2172948 С1, МПК G01N 21/64, 30.12.1999.
6. RU 2156969 С1, МПК G01N 21/64, 02.02.1999.