СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МУТНОСТИ СРЕДЫ
METHOD OF DETERMINING TURBIDITY OF MEDIUM

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для поточного контроля качества воды, экологического мониторинга, измерения концентрации эмульсий и суспензий.
Мутность - оптическая величина, характеризующая способность среды рассеивать свет, которую измеряют с целью определения концентрации взвешенных частиц в среде. Как правило, мутность жидких или газовых сред измеряют с помощью турбидиметрических или нефелометрических методов.
Турбидиметрический способ определения мутности - такой способ, в котором излучатель и приемник излучения находятся напротив друг друга, фотоприемник регистрирует ослабленное в среде излучение [Андреев B.C., Попечителев Е.П. Лабораторные приборы для исследования жидких сред. - Л.: Машиностроение. - 1981. - С.99-101].
Нефелометрический способ определения мутности отличается тем, что ось излучения расположена под некоторым углом к оптической оси приемника, как правило под углом 90°, и фотоприемник воспринимает рассеянное частицами излучение [Андреев B.C., Попечителев Е.П. Лабораторные приборы для исследования жидких сред. - Л.: Машиностроение. - 1981. - С.99-101].
При измерении мутности среды в полевых (промышленных) условиях очень важно обеспечить длительные непрерывные измерения без участия обслуживающего персонала. Однако в условиях, когда на прозрачных окнах фотоприемника образуются паразитные отложения (липкие частицы масел, смол, глины, отложения солей, наросты водорослей и т.д.), прозрачность окна постепенно уменьшается, что ведет к значительной погрешности и к потере работоспособности устройства.
Для борьбы с подобным недостатком используются различные способы:
- периодически включаемые щетки [Model WW102: Window Wiper Controller and Actuator: Техн. информация компании Wedgewood Technology, http://www.wedgewoodtech.com];
- подача на окно фотоприемника струи воды, воздуха [Патент РФ на полезную модель №2370754, опуб. 20.10.2009];
- периодический впрыск в измерительную камеру растворителей или детергентов [Беляков В.Л. Автоматизация промысловой подготовки нефти и воды. - М.: Недра. - 1988. - С.133];
- воздействие на окна ультразвуком [VisoTurb and ViSolid - new sensors for turbidity and solid matter measurement: Техн. информация фирмы WTW. http://www.wtw.com/media/US_O_05_TSS_028_033.pdf];
- нагрев стекла окна фотоприемника [Беляков В.Л. Автоматизация промысловой подготовки нефти и воды. - М.: Недра. - 1988. - С.133].
Однако все перечисленные способы не всегда экономически эффективны и надежны. Так, устройство очистки работает нерационально (слишком часто), а наличие механических подвижных частей часто вообще недопустимо по техническим условиям.
Один из общих подходов к решению подобных проблем в технике заключается в использовании аппаратной и информационной избыточности, за счет которой можно организовать анализ поступающей измерительной информации и отбраковку искаженных помехами отсчетов. Относительное количество искаженных отсчетов является при этом мерой оценки степени подверженности измерений помехам и может служить критерием принятия решения о включении того или иного средства борьбы с помехой.
В данной конкретной области возможное решение проблемы лежит в сфере использования мультисенсорных систем. Такими мультисенсорными системами являются фотоприемные матрицы - устройства, содержащие большое количество фотоприемных элементов - пикселей (в отличие от дискретных фотоприемников с одним чувствительным элементом). Обычно фотоматрица - это специализированная интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных элементов и электронной схемы для предварительной обработки и оцифровки сигналов. Фотоматрицы могут выполняться по ПЗС-технологии [Бейкер В.Д., Барб Д.Ф, Бурке Х.К. Приборы с зарядовой связью: Пер. с англ. / Под ред. Д.Ф.Барба. - М.: Мир, 1982] или по КМОП-технологии [Zimmermann H.K. Integrated Silicon Optoelectronics. - Springer, 2nd ed. Edition, 2009. - 388 p.].
Обработка изображений, полученных на фотоматрице, может выполняться с помощью универсальных программных продуктов, таких как LabView. Информацию о распределении яркости на пикселях матрицы удобно анализировать с помощью процедуры, позволяющей получать так называемый профиль яркости - кривую интенсивности пикселей изображения вдоль заданной линии, например горизонтальной линии кадра [Визильтер Ю.В., Желтов С.Ю. и др. Обработка и анализ цифровых изображений с примерами на LabView IMAQ Vision. - М.: ДМК Пресс, 2007. - 464 с.- С.155].
Способом определения мутности, наиболее близким к предлагаемому, является способ, реализуемый в нефелометре для измерения мутности воды [Патент US №7,663,751 В1 МПК G01N 21/00, опуб. 16.02.2010]. Способ заключается в том, что через анализируемую среду пропускают зондирующее излучение и регистрируют рассеянное средой излучение фотоприемником, отделенным от среды прозрачным окном и расположенным под углом 90 градусов относительно оптической оси излучателя, затем по сигналам фотоприемника рассчитывают искомое значение мутности среды. Описанный способ может иметь множество вариантов исполнения, отличающихся друг от друга различными деталями, в частности, в прототипе используют особую длину волны излучения, равную 525 нм, что обеспечивает повышенную чувствительность метода.
Такой способ, однако, не обеспечивает инвариантности измерений по отношению к загрязнению окна фотоприемника, в качестве которого используют дискретное устройство (например, фотодиод), и в случае отложения липкой дисперсной фазы на окне, не имеет никаких средств автоматической защиты от действия этого фактора, что вызывает необходимость установления короткого межрегламентного периода для поддержания приемлемой метрологической надежности.
Задачей, решаемой данным изобретением, является повышение помехозащищенности метода и достижение независимости измерений мутности среды от наличия паразитных отложений на окнах фотоприемника при минимальном использовании процедуры очистки.
Задача решается за счет того, что в способе, заключающемся в том, что через анализируемую среду пропускают зондирующее излучение и регистрируют рассеянное средой излучение фотоприемником, отделенным от среды прозрачным окном и расположенным под углом 90 градусов относительно оптической оси излучателя, затем по сигналам фотоприемника рассчитывают искомое значение мутности среды, согласно изобретению регистрацию рассеянного излучения выполняют посредством фотоприемника, представляющего собой фотоприемную матрицу, с помощью которой получают картину рассеянного на частицах излучения, затем на полученном изображении выделяют контуры пятен паразитных отложений на окне и вычисляют их относительную площадь для определения степени загрязнения окна, определяют профиль яркости по средней горизонтальной линии кадра фотоматрицы, корректируют профиль яркости на участках, искаженных пятнами отложений, и производят его сглаживание с помощью процедуры фильтрации, затем по эмпирической формуле определяют мутность среды:
где U1 - выходной сигнал фотоприемной ячейки, измеренный в центральной точке кадра,
U2 - выходной сигнал фотоприемной ячейки, взятый на той же линии в периферийной точке кадра, отстоящей от края кадра на фиксированное небольшое количество пикселей.
Существо изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена общая схема нефелометра, реализующего способ определения мутности.
На фиг.2а-2в изображена картина распределения света на фотоматрице для разных значений мутности среды.
На фиг.2г изображена картина распределение яркости пикселей по средней горизонтальной линии кадра, полученного с фотоматрицы, для разных значений мутности среды.
На фиг.3а изображена картина распределения света на фотоматрице с учетом загрязнений окна фотоприемника паразитными отложениями.
На фиг.3б изображена картина распределения яркости пикселей по средней горизонтальной линии кадра, полученного с фотоматрицы, для случая, когда картина искажена наличием отложений.
На фиг.3в изображена картина распределение яркости пикселей по средней горизонтальной линии кадра после применения специальной процедуры «вырезания» искаженных участков и замены их усредненными значениями.
На фиг.3г изображена картина распределение яркости пикселей, полученная из предыдущего изображения путем низкочастотной фильтрации.
На фиг.4 изображен график зависимости мутности среды τ от отношения R, рассчитываемого по яркости пикселей фотоматрицы.
Устройство (фиг.1) содержит излучатель 1, окно излучателя 2, объектив 3, окно фотоприемника 4, фотоматрицу 5, кювету 6. Позицией 7 обозначены частицы среды, 8 - зондирующий луч и 9 - рассеянное излучение. Фотоматрица 5 связана со входом измерительно-вычислительного устройства (ИВУ) 10 посредством шины 11. Излучатель 1 запитан от соответствующего управляющего выхода ИВУ 10 через шину 12.
Способ реализуется следующим образом. В начале цикла работы по сигналу ИВУ 10 излучатель 1 генерирует зондирующий луч 8, который проходит через прозрачное окно 2 в исследуемую среду 6. Рассеянное излучение 9, обусловленное наличием частиц 7, поступает на объектив 3, расположенный под углом 90 градусов относительно оптической оси излучателя, через прозрачное окно 4. С помощью фотоматрицы 5 регистрируют картину ослабленного излучения, которая может быть искажена загрязнениями окна фотоприемника. Сигнал с фотоматрицы 5 подается на ИВУ 10. Полученную на фотоматрице картину распределения света, искаженную загрязнениями (фиг.3, а), подвергают программной обработке, а именно: на изображении выделяют контуры пятен паразитных отложений на окне, по отношению общей площади, занятой частицами загрязнения, ко всей площади изображения определяют степень загрязнения окна фотоприемника k. Если k превышает некоторое пороговое значение, например 20%, принимают решение об очистке окна (ИВУ выдает сигнал о необходимости ручной очистки устройства или включении автоматической очистки устройства). Также определяют профиль яркости по средней горизонтальной линии кадра фотоматрицы (фиг.3, б), корректируют профиль яркости на участках, искаженных пятнами отложений (фиг.3, в), и производят его сглаживание с помощью процедуры фильтрации (фиг.3, г). Затем вычисляют значение отношения R:
1
2
Соответствующие значения U и U на профиле яркости показаны на фиг.3, г. Затем по эмпирической формуле (1), вид которой определяют заранее в процессе градуировки, пример которой показан на фиг.4, определяют мутность τ.
Пример конкретной реализации способа
В результате действия зондирующего излучения 8 и рассеяния его на частицах 7 на фотоприемной матрице 5 получено изображение, показанное на фиг.3, а. Оно искажено пятнами паразитных отложений. Ширина кадра фотоматрицы составляет 800 пикселей. После оцифровки сигналов пикселей в ИВУ 10 с помощью программной процедуры выделения контуров пятен обозначают границы пятен и получают отдельное изображение, которое сильно контрастирует (паразитные пятна - черные, все остальное - белое), затем подсчитывают относительную площадь пятен на кадре, которая определяет степень загрязнения окна фотоприемника. Например, для фиг.3, а она равна 2,2%. При необходимости это значение используют для принятия решения о выполнении процедуры ручной или автоматической очистки окна. Кроме того, по фиг.3, а строят профиль яркости по средней горизонтальной линии кадра. Он будет выглядеть, как показано на фиг.3, б, темным пятнам отложений будут соответствовать провалы на кривой. Далее искаженные участки кривой профиля корректируют с помощью процедуры, производящей замену значений яркости пикселей, соответствующих темным пятнам, средними значениями яркости пикселей, расположенных до и после пятна. В результате получают картину, изображенную на фиг.3, в. Полученное изображение подвергают низкочастотной фильтрации (сглаживанию), после чего кривая профиля приобретает правильную колоколообразную форму, показанную на фиг.3, г. Затем выделяют пиксели с номерами 400 (средняя точка профиля) и 700 (периферийная точка профиля, отстоящая от края на 100 пикселей) и определяют значения их яркостей - соответственно U1 и U2. Далее находят отношение по формуле (2). Оно не зависит от нестабильности яркости излучателя. После чего по градуировочной формуле (1) определяют значение мутности среды. Например, для фиг.3 R=4, а по фиг.4 τ=2100 ЕМФ (ЕМФ - единица мутности по формазину 7027 ИСО).
Предложенный способ определения мутности среды может быть реализован на основе различных относительно недорогих и доступных элементов. В качестве фотоматрицы 5 может быть использована одна из фотоматриц, выпускаемых фирмой Micron.
Излучатель 1 может быть реализован на основе красного или инфракрасного лазера либо на основе светодиода с собирающей линзой.
ИВУ 10 может быть реализовано на базе микроконтроллера или одноплатного компьютера с приставкой сбора информации.
Разработка программных кодов процедур обработки изображения, локализации пятен отложений, выделения полезного сигнала и расчета мутности, а также определения степени загрязнения окна фотоприемника возможно в среде пакета программ Lab View.
Предлагаемый способ определения мутности среды выгодно отличается от прототипа возможностью длительных непрерывных измерений мутности без участия обслуживающего персонала, что достигнуто за счет избыточности получаемой с фотоматрицы информации и инвариантности измерений относительно загрязнения окон фотоприемника.