Устройство для экспресс-анализа водных сред в потоке

Полезная модель относится к измерительной технике и экспресс-анализу состава природных и сточных вод, конкретно к устройствам для контроля содержания растворенных и диспергированных в водных средах примесей на любой стадии технологической обработки или мониторинга.
Известно устройство для экспресс-анализа водных сред /Лапшин А.И., Жуков Б.Д. Простой проточный узел флуоресценции и нефелометрии. Сб. тезисов конференции ПМГИ-92. «Проблемы метрологии гидрофизических измерений». М., 1992, 189 с./, пригодное для массовых оценочных измерений флуоресценции и оптической плотности исследуемых растворов. Устройство представляет собой проточный флуориметр-нефелометр, позволяющий определять одновременно два показателя качества воды: комплекс органических веществ и оптическую плотность.
Однако это устройство не позволяет измерять электропроводность растворов и дает неустойчивые результаты в присутствие воздушных пузырей.
Известно устройство для экспресс-анализа водных сред в потоке (измеритель оптической плотности водных сред, А.С. SU №1807346 А1, МПК G01N 21/47, БИ №13, 1993), содержащее источник света, иллюминаторы, фотоприемник, клапан, фильтр, крышки, шток, зажим и эталоны.
Недостатком указанного устройства является низкая точность измерения, обусловленная невозможностью поддержания надлежащей ориентации прибора в пространстве, периодическими перенастройками и быстрым загрязнением иллюминаторов. Кроме того, частые перенастройка, очистка и связанные с этим сборка и разборка прибора усложняют его эксплуатацию.
Недостатком упомянутых аналогов является также погрешность измерения, обусловленная нестабильностью источника света и регистрацией фонового излучения, фиксируемого по причине оптической и гидравлической негерметичности измерительной полости.
Известно устройство для экспресс-анализа водных сред в потоке - прототип («Дифференциальный измеритель оптической плотности жидкой среды при культивировании фитомассы», патент РФ №120229, МПК G01N 21/00, опубл. 10.09.2012). Указанное устройство содержит излучатель света с конденсором, опорный и измерительный оптические каналы, измерительные кюветы, расположенные на пути лучей опорного и измерительного каналов, фотоприемники сигналов опорного и измерительного каналов и дифференциальный усилитель, а также систему трубопроводов с вентилями.
Прототип работает недостаточно эффективно, поскольку результаты измерений существенно зависят от внешних факторов: температуры, фонового постоянного и переменного излучения, а также не представлены в абсолютных величинах оптической плотности. Кроме того, качество анализа состава водной среды с помощью прототипа недостаточно, поскольку анализ ограничен измерением только одного параметра, характеризующего дисперсный состав водной среды, а именно оптической плотности водных сред, содержащих дисперсную фазу (фитопланктон). Между тем для полноценного качественного анализа водной среды не менее важной является информация о содержании растворенных примесей (минерализации) анализируемой водной среды, которую представляют данные о ее электропроводности.
Задачей (общим техническим решением) настоящего изобретения является повышение качества анализа состава водных сред за счет измерения интегральной характеристики среды, включающей данные одновременного измерения оптической плотности и электропроводности в заданном участке потока анализируемой водной среды.
Поставленная задача решается тем, что в устройство, включающее излучатель света, две идентичные проточные измерительные кюветы с патрубками для ввода и вывода жидкости, оптические окна для ввода и вывода излучения и фотоприемники сигналов измерительных каналов, дифференциальный усилитель, в измерительные кюветы помещены два электрода таким образом, чтобы линии, соединяющие оптические окна кюветы, проходили между ними перпендикулярно линии, проведенной между этими электродами, а излучатель света выполнен в виде кластера инфракрасных светодиодов, включенных в электрическую цепь автоматической регулировки уровня излучения через связанные между собой фотодиод и управляющий блок.
Также поставленная задача решается тем, что в предлагаемом устройстве оптические окна для входа и выхода излучения расположены напротив друг друга и выполнены в виде утончения стенки кюветы в диапазоне 150-200 микрон.
Также поставленная задача решается тем, что предлагаемое устройство выполнено на основе генератора импульсов подключенного к синхронным детекторам оптических измерительных каналов и генератора переменного тока, подключенного к синхронным детекторам измерительных каналов электропроводности.
Также поставленная задача решается тем, что в предлагаемом устройстве микропроцессор связан по интерфейсу RS-485 с внешним компьютером.
На чертеже представлена структурная схема устройства для экспресс-анализа водных сред в потоке.
Устройство (чертеж) содержит измерительные каналы оптические и электропроводности двух идентичных проточных кювет К1 и 2 и оптический канал системы автоматической регулировки уровня излучения.
Оптический канал системы автоматической регулировки уровня излучения образован излучателем СДК 3 из кластера светодиодов, включенных в электрическую цепь автоматической регулировки уровня излучения через связанные между собой фотодиод ФД 4 и управляющий блок УБ 5.
Оптический измерительный канал первой кюветы К1 образован последовательно соединенными фотодиодным приемником ФД 6, усилителем импульсов УИ 7 и синхронным детектором СД 8, а оптический измерительный канал второй кюветы К2 образован фотодиодным приемником ФД 9, усилителем импульсов УИ 10 и синхронным детектором СД 11. Синхронные детекторы СД 8 и СД 11 связаны с генератором импульсов ГИ 12, а также с дифференциальным усилителем фотоприемников ДУФ 13, подключенным к микропроцессору МП 14.
Каналы электропроводности подключены к общему генератору синусоидального напряжения ГСН 15. В канал кюветы К1 также входят последовательно соединенные усилитель напряжения УН 16, синхронный детектор СД 17 и два электрода Э18. Канал электропроводности кюветы К2 образован последовательно соединенными усилителем напряжения УН 19, синхронным детектором СД 20 и двумя электродами Э21. Синхронные детекторы СД 17 и СД 20 подключены к дифференциальному усилителю электропроводности ДУЭ 22. Электроды в каждой кювете размещены таким образом, чтобы линии, соединяющие оптические окна кюветы, проходили между ними перпендикулярно линии, проведенной между этими электродами.
Каждая кювета изготовлена из фторопласта Ф4, снабжена патрубками для ввода и вывода анализируемой жидкости, электродами, а также оптическими окнами для входа и выхода излучения, выполненными напротив друг друга в виде утончения стенки кюветы в диапазоне 150-200 микрон.
Источник излучения изготовлен из светодиодов 860 нм типа L934SF6, приемник излучения - из фотодиодов BPW24. В качестве усилителей импульсов и напряжения использовались микросхемы AD 711. Синхронные детекторы выполнены на базе микросхем 4052 и OYAD711, а дифференциальные усилители на базе микросхем AD711. Использовались также генератор синусоидального напряжения AD9834, генератор импульсов AD9834, микропроцессор Atmega 128 фирмы Atmel, преобразователь RS-485 и термодатчик DS18520.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Регистрация и преобразование аналитических сигналов при определении оптической плотности и электропроводности выполняются одновременно. Через одну из камер датчика пропускают контрольную (очищенную) воду, а через другую камеру анализируемую жидкость и считывают показания от электродных систем и от фотоприемников. Затем аналоговые сигналы преобразуются в цифровые и направляются через канал связи на центральный компьютер, с помощью которого происходит их дальнейшая обработка и выдача результатов анализа.
Измерение оптической плотности осуществляется импульсным методом. Это позволяет исключить импульсную засветку. При любом режиме работы поддерживается стабильная работа излучателя СДК 3. С этой целью излучение одновременно подается на проточные кюветы К1, К2 и фотодиодный приемник ФД 4. Принятое фотодиодным приемником ФД 4 излучение обрабатывается с помощью системы автоматической регулировки уровня на основе управляющего блока УБ 4, которая стабилизирует режим работы излучателя СДК 3.
Прошедшее через кюветы К1 и К2 излучение попадает на фотодиоды ФД 6 и ФД 9. Сигналы от фотодиодов проходят через усилители импульсов УИ 7 и УИ 10, а затем поступают на синхронные детекторы СД 8 и СД 11, связанные с генератором импульсов ГИ 12. На выходе из синхронных детекторов получаются аналоговые сигналы канала кюветы К1 и канала кюветы К2, пропорциональные абсолютным значениям оптической плотности. Вся схема синхронизируется с помощью генератора импульсов ГИ 12. При необходимости с помощью дифференциального усилителя фотоприемников ДУФ 13 получается разностный сигнал от каналов кювет К1 и К2, который направляется на микропроцессор МП 14.
Определение электропроводности.
Электроды Э 18 и Э 21 размещены таким образом, чтобы между ними через электродное пространство прошло излучение от кластера светодиодных излучателей СДК 3. Это обеспечивает одновременное считывание аналитических сигналов по оптической плотности и электропроводности исследуемой водной среды.
Аналитические сигналы электропроводности формируются с помощью генератора синусоидального напряжения ГСН 15 и усилителей напряжения УН 16 и УН 19; подавление помех осуществляется с помощью синхронных детекторов СД 17 и СД 20. Для последующей обработки они направляются на дифференциальный усилитель электропроводности ДУЭ 22, а затем на микропроцессор МП 14.
Температурный режим работы излучателя поддерживается по схеме автоматической регулировки уровня излучения с помощью термодатчика ТД 23, подключенного к микропроцессору МП 14.
Микропроцессор МП 14 оцифровывает значения аналоговых сигналов для всех каналов как при измерении оптической плотности, так и при измерении электропроводности, а также обеспечивает связь с центральным компьютером с помощью преобразователя RS-485 24 и ведет журнал событий в случае автономной работы.
Калибровка датчика и промывка кювет осуществляются пропусканием через кюветы одного и того же раствора сравнения или чистой воды соответственно. В этих случаях о высоком качестве процедуры свидетельствует минимальная разница между показаниями датчика по обоим измерительным каналам.
В качестве контрольного раствора используется либо стандартный раствор сравнения, либо раствор, прошедший заданную стадию водообработки. В последнем случае разности между двумя показаниями датчика соответствуют убыли концентрации примеси непосредственно в ходе технологической обработки стока. Такие оценки в минимальной степени подвержены фоновым искажениям, связанным с изменением состояния поверхности чувствительных к составу исследуемой среды узлов датчика.
Таким образом, общим техническим решением настоящего изобретения является повышение качества анализа состава водных сред за счет измерения интегральной характеристики среды, включающей данные одновременного измерения оптической плотности и электропроводности в заданном участке потока водной среды.
Также технический эффект от использования предлагаемого устройства заключается в повышении эффективности работы устройства за счет того, что излучатель света выполнен в виде кластера инфракрасных светодиодов, включенных в электрическую цепь автоматической регулировки уровня излучения через связанные между собой фотодиод и управляющий блок.