Портативное устройство для экспресс-анализа свободного хлора и водородного показателя в воде

Полезная модель относится к области контроля содержания свободного хлора и водородного показателя после процесса очистки и обеззараживания вод, а именно к портативному устройству для экспресс-анализа в воде водоплавательных сооружений свободного хлора и водородного показателя фотометрическим методом.
В настоящее время для определения концентрации свободного хлора известны экспресс-устройства, в основе которых лежат полуколичественные способы измерения. В буклете [Instruction Manual HU 3831 F Free Clorine Test Kit; https://docs.rs-online.com/d2f0/0900766b805cc9a2.pdf] описано устройство, состоящее из корпуса тестера, крышки тестера, таблеток-реагентов (феноловый красный индикатор, диэтилпарафенилендиамин). Измерение концентрации с помощью данного устройства происходит путем определения интенсивности окраски исследуемого раствора после внесения в него таблеток-реагентов. Реагент окрашивает хлорсодержащий раствор в определенный цвет красного участка видимого спектра. Путем сравнения интенсивности окраски раствора со стандартной (для данного метода) цветовой шкалой определяется содержание свободного хлора в анализируемой пробе при объеме 250 мл, при содержании хлора более 0,3 мг/л.
Предлагаемое устройство обладает простотой проведения анализа и не нуждается в пробоподготовке анализируемой воды, однако недостатками метода является малая чувствительность и низкая достоверность результатов измерений (около 70%).
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели (прототип) является портативный фотометр HI-96725, который предназначен для измерения водных показателей [http://www.td-anion.ru/catalog/analizatory-razlichnye/hi-96725-analizator-hlora.htm]. Известный анализатор содержит корпус с цифровым дисплеем, в котором расположены источник питания, измерительный модуль, содержащий источник света, интерференционный фильтр с полосой при 525 нм (зеленый), измерительную ячейку, систему фиксации кювет, детектор и модуль обработки информации, состоящий из микропроцессора, а также источник питания (батарею) и индикатор заряда батареи. В качестве источника света используют вольфрамовую лампу узкой полосы, а в качестве детектора света используют фотоэлемент на основе кремния.
В известном устройстве для определения содержания свободного и общего хлора используется адаптированный метод с диэтилпарафенилендиамином; для определения рН используется метод с феноловым красным. В зависимости от измеряемого параметра, используются реагенты в виде порошков или в жидкой форме. После добавления необходимого реагента к образцу, образец меняет цвет; чем больше концентрация, тем ярче окраска. Затем полученное изменение цвета колориметрически анализируется в соответствии с законом Ламберта-Бера. Для определения параметров узкий интерференционный фильтр с полосой при 525 нм (зеленый) пропускает к кремниевому фотоприемнику только зеленый свет и не пропускает остальной спектр видимого света, испускаемый вольфрамовой лампой. Увеличение интенсивности цвета прореагировавшего образца приводит к увеличению абсорбции специфической длины волны света и уменьшению коэффициента пропускания.
Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, которая не позволяет с равной точностью определить достоверность измерений (10% для водородного показателя и 3% для свободного хлора).
Раскрытие сущности полезной модели.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является разработка портативного устройства с высокой точностью измерения уровня остаточного хлора и водородного показателя в воде водоплавательных сооружений.
Техническим результатом является повышение точности измерения концентрации остаточного хлора и уровня водородного показателя в воде водоплавательных сооружений.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что портативное устройство для экспресс-анализа свободного хлора и водородного показателя в воде содержит корпус с цифровым дисплеем, в котором последовательно расположены источник питания, измерительный модуль, содержащий источник света, в качестве которого используют высокомощный LED-светодиод белого свечения RGB, интерференционный фильтр с полосой при 525 нм (зеленый), измерительную ячейку, систему фиксации кювет, детектор, в качестве которого используют фоторезистор RPP130 на основе сульфида кадмия, и модуль обработки информации, который содержит микропроцессор и усилитель LM358N.
В качестве источника питания может быть использован электронный стабилизатор напряжения. В другом частном случае выполнения устройства корпус детектора может быть выполнен из стирола. Корпус портативного устройства для экспресс-анализа остаточного хлора и водородного показателя в воде может иметь светонепроницаемое покрытие.
Сущность полезной модели поясняется чертежами: на фиг. 1 изображена схема заявленного устройства; на фиг. 2 - принципиальная электрическая схема устройства.
Где на фиг.1:
1 - Корпус;
2 - Цифровой дисплей;
3 - Источник питания;
4 - Измерительный модуль;
5 - Источник света;
6 - Интерференционный фильтр с полосой при 525 нм (зеленый);
7 - Измерительная ячейка;
8 - Система фиксации кювет;
9 - Детектор;
10 - Модуль обработки информации;
11 - Усилитель LM358N;
12 - Микропроцессор.
Где на фиг 2:
LED - светодиод белого свечения RGB;
LDR - фоторезистор на основе сульфида кадмия (диапазон чувствительности 520-700 нм);
LM358N - операционный усилитель по схеме неинвертирующего усилителя по постоянному току;
R1, R2 - подстроечные резисторы;
R3, R4 - резистивная цепь обратной отрицательной связи;
С1 - конденсатор постоянной емкости.
Портативное устройство для экспресс-анализа свободного хлора и водородного показателя в воде состоит из корпуса (1), который может иметь светонепроницаемое покрытие, с цифровым дисплеем (2) для трансляции информации при измерении показателей воды, с последовательно расположенными в нем источником питания (3), в качестве которого можно использовать электронный стабилизатор напряжения; измерительным модулем (4), который состоит из источника света (5), представляющего собой LEG светодиод белого свечения, интерференционного фильтра с полосой зеленого спектра при 525 нм (6), измерительной ячейки (7), системы фиксации кювет (8), детектора в виде LDR фоторезистора на основе сульфида кадмия с диапазоном наибольшей чувствительности - 520-700 (9), и модуля обработки информации (10), содержащего операционный усилитель LM358N (11) по схеме неинвертирующего усилителя по постоянному току и микропроцессор. (12).
LDR фоторезистор, используемый в качестве детектора и имеющий спектральные характеристики, полностью соответствующие спектральной чувствительности глаза, позволяет зафиксировать видимый спектр света, а использование LED светодиода белого свечения в качестве источника света позволяет за счет отсутствия инерционности включения (максимальная яркость излучения достигается сразу после включения) обеспечить высокие коэффициенты цветопередачи CRI и световой отдачи, что позволяет увеличить точность измерения концентрации свободного хлора в воде заявленным устройством в 1,5 раза, а уровня водородного показателя - в 10 раз в сравнении с прототипом. Использование электронного стабилизатора напряжения в качестве источника питания (3) дополнительно позволяет поддерживать стабильное напряжение при широком интервале входных напряжений, тем самым обеспечивая высокую точность измерения.
Погрешность измерений устройства в модельных растворах с концентрациями свободного хлора в диапазоне от 0,2 мг/л до 6 мг/л составила , в случае измерения водородного показателя в диапазоне концентраций от 6,5 до 8,6 ед. pH составила  ед. pH. Точность измерений в случае концентрации свободного хлора определялась путем создания модельных растворов с заранее известной концентрацией. В случае определения водородного показателя использовался pH-метр с погрешностью измерения 0,01 ед. pH и диапазоном чувствительности от 0,00 до14.00 измерительных единиц.
Устройство работает следующим образом.
Для определения концентрации свободного хлора проба воды заливается из бассейна в кювету и помещается в светонепроницаемую измерительную ячейку (7) с системой фиксации кюветы (8), которая обеспечивает одинаковое положение и работает по принципу замка и ключа. Исходный состав пробы контролируется автоматической калибровкой «нуля» на цифровом дисплее (2). Затем в кювету добавляется таблетка индикаторного теста диэтилпарафенилендиамина (ДПД-1), после чего образец приобретает определенную окраску красного участка спектра, которая зависит от концентрации растворенного в воде свободного хлора. Световой поток от источника света (5), проходя сквозь окрашенный модельный раствор, частично поглощается им. Часть непоглощенного светового потока воздействует на детектор (9). Согласно фиг. 2 подстроечные резисторы R1, R2 образуют делитель напряжения, с которого измеряемый электрический сигнал поступает на неинвертируемый вход усилителя (11). Для того, чтобы работа операционного усилителя (11) была управляемой, применяется обратная отрицательная связь, которая состоит из резистивной цепи R3, R4, которая устанавливается путем подачи части напряжения с выхода усилителя на его инвертирующий вход. Изменяя параметры резистивной цепи обратной отрицательной связи R3, R4 регулируется чувствительность усилителя по входу. Сигнал обрабатывается на входе цифрового блока информации. Согласно фиг. 1 микропроцессор (12) вычисляет содержание свободного хлора в зависимости от напряжения сигнала и отображает полученный результат на дисплее (2).
Для определения уровня водородного показателя используется аналогичный принцип работы прибора, отличие которого заключается в использовании другого индикаторного теста для изменения окраски пробы - фенола красного.