ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ ЖИДКОЙ СРЕДЫ
DIFFERENTIAL MEASURER OF FLUID OPTICAL DENSITY

Изобретение относится к области оптических измерений и может быть использовано для измерения мутности водных сред, в том числе с целью непрерывного контроля качества природных или сточных вод на заданных стадиях обработки, а также для мониторинга состава природных вод.
Известен погружной дифференциальный измеритель оптической плотности (мутномер, А.С. SU №1807346 А1, МПК G01N 21/47, БИ №13, 1993), содержащий корпус, источник света, иллюминаторы, фотоприемник, клапан, фильтр, крышки, шток, зажим и эталоны.
Недостатком указанного погружного мутномера 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 аналога является также погрешность измерения, обусловленная нестабильностью источника света и регистрацией фонового излучения, фиксируемого по причине оптической и гидравлической негерметичности измерительной полости.
Известен дифференциальный измеритель оптической плотности жидкой среды при культивировании фитомассы - прототип (патент РФ №120229, МПК G01N 21/00, опубл. 10.09.2012). Этот измеритель содержит излучатель с конденсором, опорный и измерительный оптические каналы, кюветы, расположенные на пути лучей опорного и измерительного каналов, фотоприемники сигналов опорного и измерительного каналов и дифференциальный измерительный 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 мутности.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изoбретения является повышение эффективности работы измерителя.
Поставленная задача решается также тем, что излучатель исполнен на основе кластера инфракрасных светодиодов, включенных в цепь автоматической регулировки уровня излучения, в состав которой входят последовательно соединенные фотодиод, усилитель импульсов, синхронный детектор и модулятор.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом измерителе оптические окна для входа и выхода излучения выполнены напротив друг друга в виде утончения стенки кюветы в диапазоне 150-200 микрон.
Поставленная задача решается также тем, что измеритель выполнен на основе генератора импульсов, подключенного к синхронным детекторам измерительных каналов.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом измерителе дифференциальный усилитель соединен с микропроцессором, связанным по интерфейсу RS-485 с внешним компьютером.
Описание заявки включает два чертежа.
Фиг. 1. Структурная схема измерителя оптической плотности.
Фиг. 2. Режимы работы устройства.
Состав и принцип работы двухканального измерителя оптической плотности поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема измерителя (фиг 1).
Предлагаемый измеритель (фиг. 1) содержит две идентичные проточные кюветы К1 и К2, снабженные патрубками для подачи и отвода исследуемой воды, оптическими окнами для ввода и вывода излучения, светодиодный кластер СК 3, включенный в цепь автоматической регулировки уровня излучения на основе последовательно соединенных фотодиодного приемника ФД 4, усилителя импульсов УИ 5, синхронного детектора СД 6, соединенного с модулятором М 7 и генератором импульсов ГИ 8. Измерительный канал первой кюветы К1 образован последовательно соединенными фотодиодным приемником ФД 9, усилителем импульсов УИ 10, синхронным детектором СД 11, а измерительный канал второй кюветы К2 образован последовательно соединенными фотодиодным приемником ФД 12, усилителем импульсов УИ 13 и синхронным детектором СД 14. Синхронные детекторы СД 11 и СД 14 связаны с генератором импульсов ГИ 8, а также с дифференциальным усилителем ДУ 15, подключенным к микропроцессору МП 16, связанному с преобразователем 17RS-485 линии интерфейса.
Могут быть: корпус кювет выполнен из фторопласта марки Ф4, светодиодный кластер изготовлен из светодиодов 860 нм типа L934SF6, фотодиодный приемник (фотодиод) выполнен из фотодиодов BPW24, также использовались усилители импульсов AD711, синхронные детекторы на базе микросхем 4052 и OYAD711, дифференциальный усилитель и модулятор на базе микросхем AD711, микропроцессор Atmega 128 фирмы Atmel, преобразователь RS-485 и генератор импульсов AD9834.
Измеритель работает следующим образом.
При любом режиме работы поддерживается стабильная работа кластера инфракрасных светодиодных излучателей СК 3. С этой целью от кластера СК 3 излучение одновременно подается на проточные кюветы К1, К2 и фотодиодный приемник ФД 4. Фотодиодный приемник ФД 4, усилитель импульсов УИ 5, синхронный детектор СД 6 и модулятор М 7 последовательно связаны электрическими проводниками между собой, образуя цепь автоматической регулировки уровня излучения (АРУ). Принятое фотодиодным приемником ФД 4 излучение обрабатывается с помощью усилителя импульсов УИ 5 и синхронного детектора СД 6. Вследствие этого формируется сигнал сравнения, с помощью которого по схеме АРУ стабилизируют режим работы кластера излучателей СК 3.
Прошедшее через кюветы К1 и К2 излучение попадает соответственно на фотодиодные приемники ФД 9 и ФД 12. Фотодиод ФД 9, усилитель импульсов УИ 10 и синхронный детектор СД 11 связаны последовательно электрическими проводниками, образуя измерительный канал первой кюветы К1. Фотодиод ФД 12, усилитель импульсов УИ 13 и синхронный детектор СД 14 связаны последовательно электрическими проводниками, образуя измерительный канал второй кюветы К2. Сигналы от фотодиодов ФД 9 и ФД 12 проходят через усилители импульсов УИ 10 и УИ 13, а затем поступают на синхронные детекторы СД 11 и СД 14, на выходе из которых получаются аналоговые сигналы первого и второго измерительных каналов, а затем через дифференциальный усилитель ДУ 15 на микропроцессор МП 16.
Микропроцессор МП 16 оцифровывает значения аналоговых сигналов для всех каналов, а также обеспечивает связь с внешним компьютером помощью преобразователя RS-485 17 и ведет журнал событий в случае автономной работы. Вся схема синхронизируется с помощью генератора импульсов 8, связанного электрическими проводниками с синхронными детекторами 6, 11, 14 и модулятором М 7.
Предусмотрены три режима работы измерителя: «калибровка», «двухканальное измерение», «компаратор» (фиг 2).
Калибровка осуществляется следующим образом. Проточные камеры соединяют водоводом последовательно. Через камеры пропускается образцовый раствор с известными параметрами. Калибруется сначала первый канал путем изменения коэффициента усиления с помощью усилителя импульсов УИ 10. Далее по нулевому сигналу с дифференциального усилителя ДУ 15 калибруется второй канал путем изменения коэффициента усиления с помощью усилителя импульсов УИ 13.
В режиме «двухканальное измерение» через измерительные камеры независимо и одновременно пропускают фракции исследуемого раствора прошедшего и не прошедшего заданную стадию обработки. В этом режиме конечный аналитический сигнал представлен как в виде абсолютных значений, так и в виде разности показаний двух каналов, что позволяет определить степень очистки (загрязнения) стока, оценивая отношения разности показаний двух каналов к контрольному абсолютному значению, соответствующему, например, обработанной фракции раствора.
В режиме «компаратор» через измерительную камеру К1 пропускается исследуемая вода, а через камеру К2 - образцовая контрольная (очищенная) вода с известными параметрами. В этом режиме с помощью дифференциального усилителя ДУ 15 получается разностный сигнал, от измерительных каналов. В качестве контрольного раствора может использоваться раствор, прошедший заданную стадию водообработки. В таком случае разности между двумя показаниями датчика соответствуют убыли концентрации рассматриваемой примеси непосредственно в ходе технологической обработки воды.
Для компенсации загрязнений различных узлов оптических каналов калибровка дифференциального усилителя может проводиться в процессе эксплуатации в автоматическом режиме. Калибровка абсолютных значений мутности аналитического сигнала производится в режиме техобслуживания.
Таким образом, технический эффект от использования предлагаемого измерителя заключается в повышении эффективности работы измерителя за счет того, что:
измеритель выполнен на основе генератора импульсов, подключенного к синхронным детекторам измерительных каналов и кластера инфракрасных светодиодов, включенных в цепь автоматической регулировки уровня излучения, на основе последовательно соединенных фотодиодного приемника, усилителя импульсов, синхронного детектора и модулятора;
в предлагаемом измерителе оптические окна для входа и выхода излучения выполнены с учетом оптимального для прохождения излучения утончения стенки кюветы в диапазоне 150-200 микрон;
микропроцессор связан по интерфейсу RS-485 с внешним компьютером.
Эффект достигается также тем, что измерение мутности осуществляется импульсным методом с использованием синхронных детекторов. Это позволяет исключить постоянную фоновую засветку, а также подавить случайный импульсный сигнал, вызванный присутствием воздушных пузырьков и крупных включений в жидкости.
Это позволяет предлагаемый измеритель мутности использовать для определения степени очистки технологических вод, а также при решении задач получения дисперсных растворов заданной концентрацией дисперсной фазы.