Способ исследования оптической плотности текущей жидкости
METHOD FOR STUDYING OPTICAL DENSITY OF FLOWING LIQUID

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к способам и устройствам для определения состояния текущей среды по измеренному значению показателя преломления. Так как в процессе измерения почти исключен контакт измерительных элементов прибора с исследуемой текущей средой, то это позволяет не вносить изменений в структуру потока, сохранять стерильность среды и т.д. Данный метод не изменяет физическую структуру, химический состав и вкусовые свойства контролируемой жидкости. Основным негативным фактором, который крайне сложно компенсировать, влияющим на погрешность измерения показателя преломления является изменение оптической плотности текущей жидкости. Влияние этого фактора на погрешность измерения показателя преломления крайне сложно измерить, так как на величину погрешности оказывают влияние другие негативные факторы.
Сущность метода заключается в том, что регистрация сигнала происходит от двух пучков лазерного излучения с разным направлением поляризации, проходящими под прямым углом границы, состоящие из исследуемой текущей жидкости, эталонной жидкости и материалов проточной и замкнутой кюветы. Сигналы поступают на две фотодиодные линейки. Одна часть светового потока уменьшает амплитуду сигнала первой фотодиодной линейки и увеличивает освещенность второй. Другая часть светового потока увеличивает амплитуду сигнала первой фотодиодной линейки и уменьшает - второй фотодиодной линейки. Величина разности амплитуд нормированных выходных сигналов с фотодиодных линеек пропорциональна значению β (информативный параметр) и L (расстоянию от стенки кюветы до фотодиодной линейки).
c
c
В известных конструкциях проточных рефрактометров измерение показателя преломления   проточной жидкости основано на регистрации угла отклонения лазерного излучения, выходящего из разностной кюветы Андерсона, которое пропорционально Δn =  – n (n – показатель преломления неподвижной эталонной жидкости). На основе этой зависимости определяется информативный параметр дифференциального рефрактометра β:
β = Δn tg(γ), (1)
где γ – угол между входящим лучом и перпендикуляром к границе раздела проточной и замкнутой емкости.
Угол γ определяется положением оси оптического клина (компенсатора), вращая который достигается максимальное значение отношения сигнал/шум регистрируемого фотоприемником. Проведенные нами исследования показали, что при таком построении конструкции рефрактометра с использованием разностной кюветы Андерсона на точность измерения  влияют следующие погрешности:
1
1. Погрешность δ(Δn), связанная с напряжением разбаланса на фотоэлектрическом преобразователе. Для его компенсации используется оптический клин, который вносит дополнительную погрешность за счет увеличения числа отражений между оптическими элементами лазерного излучения;
2. Динамическая погрешность, связанная с изменением температуры текущей жидкости. Эта погрешность существенно влияет на результат измерения при скачкообразном изменении температуры или расхода q текущей жидкости;
2
d
3. Погрешностью δ(Δn), связанной с наличием в рефрактометрах дифференциального типа на основе кюветы Андерсона транспортного звена для отбора текущей жидкости. Наличие этого звена приводит к появлению времени запаздывания τ при проведении измерений.
4. Погрешность δ(Δn), связанная с изменение оптической плотности текущей жидкости по сечению трубопровода.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:
Фиг. 1. Зависимость показателя преломления от температуры Тf. Графикам 1, 2, 3 соответствуют следующие жидкости: дистиллированная вода, водопроводная вода, этиловый спирт.
Фиг. 2. Зависимость показателя преломления от солености воды Ns для различных температур Тf. Графикам 1, 2, 3 соответствует Тf в К: 283.1, 293.1, 303.2.
Фиг. 3. Зависимость динамической погрешности проточного рефрактометра от характера изменения расхода q. Графики 1 и 3 соответствуют изменению q скачкообразно в ранее используемой и разработанной нами конструкции рефрактометра. Графики 2 и 4 соответствуют режиму q = const  в ранее используемой и разработанной нами конструкции рефрактометра.
Фиг. 4. Зависимость изменения оптической плотности Δd от значения расхода q различных сред при Тf = 293.2 K. График 1, 2, 3 соответствуют: воде; водному раствору гидроксида натрия; водному раствору яблочного сока с растворенным сахаром и мякотью.
Фиг. 5. Структурная схема разработанной конструкции рефрактометра дифференциального типа.
Анализ результатов исследований различных сред с использованием конструкции рефрактометра дифференциального типа позволил разработать формулу для определения погрешности измерения . В данной формуле учитываются все основные факторы, влияющие на :
1
2
f
c
= δ(Δn) + δ(Δn) + δ(n) + b(T - T) +
c
ft
1
1
ft
c
1
2
1
3
(b(ττp + kτ +τ) )/((p–p)(p-p)) –
c
ft
2
2
ft
c
1
2
2
3
(b(ττp + kτ +τ) )/((p –p)(p-p)) +
c
ft
3
2
ft
c
1
3
2
3
(b(ττp + kτ+τ) )/((p–p)(p-p)), (2)
1
d
2,3
c
ft
c
ft
где p = -1/τ; p = (-(τ - τ) ± )/(2ττ),
c
ft
1
2
f
c
τ – постоянная времени замкнутой кюветы, τ – постоянная времени проточной кюветы, L- расстояние от дифференциальной кюветы до фотоприемника, b – температурный градиент показателя преломления текущей жидкости, k и k – коэффициенты характеризующие размеры проточной и замкнутой кюветы, массу и теплоемкость жидкостей в них находящихся и прочие; T – температура проточной жидкости; T – температура эталонной жидкости.
d
Соотношение (2) показывает, что проводить исследования влияния оптической плотности на погрешность измерения  в разработанных в настоящее время конструкциях проточных рефрактометров с кюветой Андерсона некорректно. Так как, уменьшая влияние на точность измерения одной погрешности, например, увеличиваем расход жидкости q (в этом случае уменьшается время запаздывания τ, на транспортном участке, но возрастает вероятность образования застойных зон) увеличивается вклад от других погрешностей измерения . При увеличении расхода жидкости q возрастают погрешности, связанных с изменением температуры и оптической плотности. Кроме того, в дифференциальной кювете есть повороты и углы.  Эти факторы также увеличивают влияние различных погрешностей при увеличении q.
Поэтому нами для исследования влияния оптической плотности на погрешность измерения  была разработан новый метод измерения . Для его реализации нами была разработана новая конструкция рефрактометра дифференциального типа с использованием поворотной призмы Дове. Структурная схема разработанной конструкции рефрактометра представлена на фиг. 5.
Наиболее близким по технической реализации являются решения, принятые за прототипы (авторские свидетельства СССР: АС № 640184 - опубликовано: 30.12.1978 и АС № 433857 - опубликовано: 12.04.1973). Изобретение описывает способ измерения показателя преломления  жидкой среды с использованием дифференциальной схемы регистрации оптического излучения для контроля качества продуктов путем сравнения оптических характеристик исследуемого продукта с соответствующими оптическими характеристиками эталонных продуктов. В качестве оптических характеристик продукта используют показатели преломления в нескольких спектральных диапазонах. Использование дифференциальной схемы регистрации лазерного излучения позволяет проводить измерения показателя преломления с одинаковой погрешностью измерения в нескольких спектральных диапазонах в отличие от других конструкций рефрактометров. Недостатки этого способа заключаются в том, что жидкая исследуемая среда размещалась в одной из частей дифференциальной кювету Андерсона. При использовании части этой кюветы для размещения проточной жидкости, показатель преломления которой необходимо измерить, возникнут рассмотренные ранее сложности с компенсацией погрешностей, связанных с изменением температуры, наличием транспортного звена и т.д.
В случае размещения замкнутой кюветы внутри проточной для выравнивания температур исследуемой и эталонной жидкости в конструкции дифференциальной кювете Андерсона, возникает ряд дополнительных проблем. Основная из которых связана с образованием застойных зон, особенно при быстрых потоках жидкой среды около замкнутой кюветы. В этих зонах накапливаются примеси, которые потом при попадании в среду (особенно в биологических растворах) могут вызвать необратимые процессы.
I
Кроме того, для случая проточной жидкости возникают неопределенность в установлении значения коэффициента пропорциональности K, который зависит от температуры текущей среды и углов падения лазерного излучения на стенки дифференциальной кюветы Андерсона. В случае измерения показателя преломления неподвижной жидкости (представленные прототипы) можно подобрать эталонную жидкость, чтобы значение Δn было небольшим и контролировать изменение температуры. В текущей жидкости это намного сложнее.
В новой разработанной нами конструкции рефрактометра для реализации метода исследования оптической плотности воздействие этих негативных факторов на результаты измерений несущественно. Его структурная схема, представленная на фиг. 5, состоит из следующих элементов:
tk
1. Полупроводниковый лазер на гетероструктурах с λ = 632.8 нм, с длиной поперечной пространственной когерентности L = 10 мм, углом расходимости излучения                θ ≈ 0.02 мрад для создания когерентного, монохроматического излучения;
2. Многофункциональный блок питания полупроводникового лазера и электронных элементов схемы регистрации и обработки информации;
3. Оптическая система (призменный коллиматор), на выходе которого формируется параллельный пучок заданной формы;
4. Призма Дове - отражательная призма, предназначена для оборачивания изображения при сохранении направления лазерного излучения. В главном сечении призма представляет собой равнобедренную трапецию, боковые стороны которой наклонены к основанию под углом 45°. Изготовлена из кварцевого стекла UVFS.
5. Замкнутая кювета предназначена для размещения эталонной жидкости. Представляет собой цилиндрический трубопровод с пустотой по центральной оси для размещения проточной кюветы;
6. Проточная кювета для размещения исследуемой текущей жидкости. Представляет собой цилиндрический трубопровод, который размещается внутри замкнутой кюветы;
7. Делительная призма предназначена для разделения световых потоков. Изготовлена из стекла ВК7;
8. Фотодиодная линейка для регистрации картины прошедшего через кюветы рассеянного лазерного излучения от границ сред для определения освещенности. Для этого фотодиодная линейка состоит из одиночных сенсоров, которые можно объединить в фотодиодные структуры для регистрации рассеянного лазерного излучения;
9. Аналого-цифровой преобразователь;
10. Устройство обработки и управления для обработки сигналов информативного отклонения и определения необходимых операции по подстройки оптической системы на максимум отношения сигнал/шум.
11. Ноутбук;
12. Датчик температуры для контроля температуры текущей среды в зоне проведения измерений. Контроль температуры необходим, так как значения показателя преломления текущей и эталонной среды зависит от значения данного параметра;
13. Блок обработки информации датчика температуры предназначен для введения данных о температуре в ноутбук для выбора соответствующих градуировочных таблиц при измерении показателя преломления текущей жидкости.
В новой конструкции оптической части рефрактометра (фиг. 5) полупроводниковый лазер 1 с λ = 632.8 нм устанавливается таким образом, чтобы после прохождения оптической систему 3 (призменный коллиматор) его лучей сформировался параллельный пучок заданной формы. Выбор длины волны лазера 1 обусловлен тем, что значения показателей преломления эталонных наборов для поверки рефрактометров измерены на красной линии (λ = 632.8 нм) лазерного излучения гелий-неонового лазера. Кроме того, большинство промышленных проточных рефрактометров работают на этой длине волны.
В конструкции рефрактометра используются измерительные кюветы цилиндрической формы проточная 6 и замкнутая 5, текущая жидкость движется по проточной кювете 6 в направлении перпендикулярном относительно поступающего на её стенку лазерному излучению, температура текущей жидкости в проточной кювете и эталонной жидкости в замкнутой кювете контролируется датчиками температуры 12, информация от них через специальные устройства 13 поступает на устройство обработки информации 10, для регистрации излучения используются две фотодиодные линейки TSL1406RS, состоящие из 512 фоточувствительных сенсоров (компания AMS-TAOS USA), с длиной фоточувствительного слоя 40.16 мм, с фотодиодных линеек 8 сигналы через аналогово-цифровые преобразователи поступают в устройство обработки информации, разработанное на основе микроконтроллера STM32 (ARM Cortex M3 core - STM32F100RBT6B), микроконтроллера информация поступает на ноутбук, который используется для определения значения  и визуализации различной информации, использование микроконтроллера обязательно, так как рефрактометр используется в системах автоматического контроля, без таких электронных компонент в устройствах обработки данная конструкция рефрактометра будет не востребована потребителями.
f
f
2
В разработанной нами новой конструкции рефрактометра кюветы 5 и 6 расположены в вертикальном положении. Такой способ расположения кювет позволяет исключить наличие пустот в проточной кювете при малых расходах жидкости, в отличие от ранее используемых конструкций кювет в дифференциальных рефрактометрах. Такое размещение кювет позволяет полностью исключить образование в них застойных зон и обеспечить более эффективный теплообмен между текущей жидкостью и эталонной по сравнению с ранее используемыми конструкциями рефрактометров. Существенно снижается влияние вклада погрешности от изменения температуры Т текущей жидкости (особенно при резком изменении Т) на погрешность измерения . Такое расположение кювет 5 и 6 позволяет исключить из (2) слагаемые, связанные с погрешностями от времени запаздывания и напряжения разбаланса, а также функциональный член δ(Δn), так как лазерное излучение поступает на стенку трубопровода под прямым углом. В этом случае (2) для определения погрешности приобретает следующий вид:
, (3)
0
0
где Δd =  – d - изменение оптической плотности измеряемой жидкости   относительно начального значения d, a – полуширина светового пучка, L- расстояние от дифференциальной кюветы до фотодиодной линейки Δn = n_f – nc – разность между показателем преломления неподвижной эталонной жидкости nc и текущей жидкости n_f.
В новом методе для измерения показателя преломления  в разработанной конструкции рефрактометра используется призма Дове 4. На выходе призмы Дове половина лазерного излучения от пучка, которое через неё прошло, изменяет направление на противоположное первоначальному. Далее лазерное излучение поступает на замкнутую кювету 5, потом проходит через проточную кювету 6 с исследуемой жидкостью и через кювету 5 поступает на делительную призму 7. На делительной призме 7 происходит разделение световых потоков. В результате одна часть светового потока уменьшает амплитуду сигнала первой фотодиодной линейки и увеличивает освещенность второй. Другая часть светового потока увеличивает амплитуду сигнала первой фотодиодной линейки и уменьшает - второй фотодиодной линейки. Установлено, что величина разности амплитуд нормированных выходных сигналов с фотодиодных линеек пропорциональна значению β и L (расстояние от стенки кюветы 6 до фотодиодной линейки). В этом случае формула (1) для определения формативного параметра β преобразуется в следующий вид:
ar
ar
β = ΔА =  = LK Δn = LK (),
ar
где K – коэффициент пропорциональности,
– нормированные выходные сигналы с фотодиодных линеек.
Нормировка выходного сигналу A с фотодиодной линейки осуществляется по следующему принципу:
A = , (5)
max
i
где А – максимальное значение сигнала освещенности с элемента фотодиодной линейки, А – амплитуда сигнала с элемента фотодиодной ячейки, i – номер элемента.
ar
ar
Коэффициент пропорциональности K определяется при предварительной градуировке рефрактометра. Для этого используются две жидкости с известными показателями преломления: дистиллированная вода и этанол (этиловый спирт). Для прозрачных сред значение K не изменяется.
После обработки сигналов нормированные значения их амплитуд A_ar^1,A_ar^2 используются в соотношении (4) для определения значение n_f, далее вычисляется д(Дn), после чего используя соотношение (3) определяется изменение оптической плотности Дd.
В конструкции фотодиодной линейки TSL1406RS перед фоточувствительным слоем нет фокусирующих оптических элементов, как в других моделях линеек. Поэтому влияние эффектов, связанных с неоднократным отражением лазерного излучения между фоточувствительным слоем и гранями призмы 7, на отношение сигнал/шум на фоточувствительных сенсорах несущественно.
f
f
c
c
В измерениях показателя преломления с использованием проточных рефрактометрах наиболее неинформативным параметром является температура текущей жидкости T. Температура контролируемой и сравнительной жидкости между собой связаны. При изменении T изменяется , изменяется T и показатель преломления жидкости в замкнутой кювете n. Возникает динамическая погрешность , значение и характер изменения которой зависит от режима и параметров работы рефрактометра. В фиксированный момент времени  можно определить следующей функцией:
f
c
≈ b(T - T). (6)
-4
-4
Если среда состоит из нескольких компонент (растворенных друг в друге), например, водный раствор гидроксида натрия, то по причине неодинакового поглощения света по ширине светового потока в слоях текущей жидкости, особенно при их перемешивании, значение Дd незначительно возрастает. Разработанная нами схема компенсации устраняет рассогласования в оптических путях лазерных лучей. Это позволяет проводить измерения показателя преломления с погрешностью 10 и меньше. В случае более сложной среды, например, водный раствор сока с сахаром и мякотью (прозрачный) до определенного значения расхода q и температуры текущей среды схема компенсации работает успешно. В дальнейшем влияние изменения значения Дd на погрешность измерения  увеличивается. Проводить измерения  в данном случае с погрешностью 10 и меньше становиться сложно.
Изобретение может быть использовано для проведения фундаментальных научных исследований жидких сред для разработки новых и совершенствования используемых методов измерения показателя преломления, а также для контроля состояния различных текущих сред в пищевой, химической и фармацевтической промышленности, сельском хозяйстве, для определения уровня загрязнения сточных вод от промышленных и сельскохозяйственных предприятий и жилых комплексов.
Пример
Для подтверждения возможностей использования новой конструкции рефрактометра на фиг. 1 в качестве примера представлены зависимости изменения показателя преломления текущих жидкостей от температуры.
Полученные результаты совпали в пределах погрешности измерений со значениями показателей преломления, полученными ранее на других конструкциях рефрактометров.
На фиг. 2 представлена зависимость показателя преломления  текущей дистиллированной воды от её солености при различных температурах. Растворенные соли в жидкой среде при измерениях в застойных зонах и на стенках проточной кюветы образуют осадок, что негативно сказывается на работе рефрактометра. В разработанной конструкции данные зоны отсутствуют.
Полученные результаты совпали в пределах погрешности измерения с результатами других исследований. Проведенные эксперименты подтвердили работоспособность предложенного метода измерения  текущей среды.
Температурная компенсация в рефрактометрах осуществляется в режиме пассивного температурного теплообмена между жидкостями в двух кюветах и зависит от конструкции кюветного преобразователя рефрактометра. На фиг. 3 в качестве примера представлены зависимости исследования динамической погрешности измерения  для различных режимов изменения расхода жидкости q.
Полученный результат показывает, что в разработанной конструкции рефрактометра влияние динамической погрешности на результат измерения  значительно меньше, чем в ранее используемых конструкциях рефрактометрах - аналогах. Это позволяет проводить исследования влияния оптической плотности на погрешность измерения  как при ламинарном, так и при турбулентном режиме течения жидкости. Для различных режимов течения жидкости при стабилизированной температуре двух жидких сред, измеряется значение Дn. Измерение проводится 10 раз. Определяется . Далее в соответствии с (3) вычисляется величина Дd. На фиг. 4 в качестве примера представлены зависимости изменения Дd от расхода жидкости в проточной кювете для различных сред.
Проведенные нами исследования показали, что в диапазоне температур от 283 до 343 К, если текущая жидкость однородная (без примесей или добавок - вода), то независимо от режима её течения в трубопроводе влияние изменения оптической плотности на погрешность измерения  несущественно. Данный результат соответствует теоретическим результатам.