СИСТЕМА ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД

СИСТЕМА ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД
Полезная модель относится к области экологии и может быть использована в качестве устройства для контроля качества воды на станциях водоподготовки, а также в составе систем контроля экологического состояния акваториальных вод.
В настоящее время наибольшее распространение получили непрерывные и проточно-инжекционные системы и анализаторы для контроля качества воды.
Преимуществом первых является то, что в них исключаются потери информации при кратковременных концентрационных изменениях измеряемого компонента. Имеет место только отставание от реального времени в получении информации, определяемое длиной гидравлических коммуникаций и инерционностью измерительных детекторов .
При этом также возникает трудноразрешимая проблема проверки адекватности показаний анализаторов в процессе работы.
Особенно остро она возникает при длительном непрерывном контроле воды из-за множества не поддающихся априорному учету факторов, влияющих на величину аналитического сигнала, таких, как осаждение взвесей на чувствительных элементах, неселективное поглощение при фотометрическом детектировании или изменение состояния поверхности электродов при потенциометрическом методе измерения.
Указанные недостатки отрицательно сказываются на достоверности измерений.
МПК G01N 35/08
Эти недостатки существенно снижены в проточно-инжекционных анализаторах, в которых периодически осуществляется контроль работоспособности детекторов и соответствующая градуировка анализатора в зависимости от их состояния.
Известно устройство для автоматизированного контроля качества природных и сточных вод, сведения о котором приведены в описании к авт.св. СССР № 1474090, МПК G01N 27/00, 1989.
Устройство содержит гидравлический блок для отбора, фильтрации, дозировки и транспортировки проб, детекторы физико-химических свойств пробы, блок определения .максимальных значений сигналов с детекторов, блок хранения уставок, блок сравнения значений уставок с максимальными значениями сигналов с детекторов. Кроме того, устройство содержит вычислительный блок, который в течение нескольких циклов опроса обрабатывает информацию для определения оценки ущерба, а также устройство отображения, накопления или передачи информации потребителю.
Недостатком устройства является сравнительно низкая достоверность измерения, особенно в процессе длительной эксплуатации, вследствие отсутствия периодического контроля правильности функционирования детекторов физико-химических свойств анализируемых проб воды.
Известен также измеритель для анализа непрерывного потока жидкости, рассмотренный в описании заявки РСТ (WO) № 89/04473, МПК G01N 21/01, 1989, который содержит измерительный клапан, канал с проточной кюветой и датчик, включающий измеритель жидкой пробы в жидком реагенте.
Для индикации используют свет, проходящий через кювету, или измеряют интенсивность флюоресценции жидкости, возникающей при ее облучении.
6 5 5Tt)  1Л
-  Второму аналогу присущ тот же недостаток, что и первому.
Известно также устройство для измерения степени загрязненности воды, рассмотренное в описании к заявке Японии № 6314772, МПК G01N 21/33,1989.
Устройство содержит измеритель загрязненности реальной воды и измеритель загрязненности эталонной жидкости, построенные на основе эффекта поглощения загрязненной жидкостью ультразвукового излучения. Выходные сигналы с указанных измерителей обрабатываются в соответствующих схемах и далее взаимно сравниваются в соответствующем блоке. Если выходной сигнал с Измерителя реальной воды находится в области допустимых значений, то схема сравнения выдает этот сигнал в качестве результата измерения. В противном случае выходной сигнал с первого измерителя корректируется сигналом со второго измерителя.
Третьему аналогу присущи те же недостатки, что и указанным выще и, кроме того, это устройство требует точной балансировки плеч схемы.
Наиболее близким по технической сущности аналогом к предлагаемому устройству является анализатор с инжекцией в потоке, рассмотренный в описании к заявке ЕПВ № 0315074, МПК G01N 35/08, 1989.
Анализатор-прототип содержит реакционную линию, подключенную, соответственно, к одному или нескольким насосам и к инжекционному вентилю, термостат для подогрева пробы до требуемой температуры, смеситель для смещивания пробы с несущей жидкостью и блок детекторов, подключенный к устройству для определения численных значений концентрации вещества в пробе.
е
-2(вентилю, посредством которого в магистраль подается анализируемая проба. Проба после смешивания с несущей жидкостью подается в проточную ячейку, взаимодействующую с соответствующим детектором, позволяющим определять концентрацию того или иного вещества в анализируемой пробе.
Сигнал с детектора поступает в устройство, определяющее концентрацию данного вещества.
В анализатор также может быть введена и магистраль для подачи в несущую жидкость реагента, вступающего в реакцию с пробой с целью образования окрашенного соединения, по интенсивности цвета которого известными методами можно определить концентрацию того или иного вещества в пробе.
Известное устройство довольно успешно решает задачу определения веществ в пробе, однако в процессе работы, особенно длительной, не учитывает влияния на процесс измерения мешающих факторов, таких, как осаждение взвесей на чувствительном элементе, неселективное поглощение света и т.д., что отрицательно сказывается на достоверности результатов измерения.
Технической задачей полезной модели является повышение достоверности измерений в процессе длительной эксплуатации системы контроля качественного состава воды на загрязненность путем обеспечения калибровки системы и устранения мешающих факторов, влияющих на результаты измерений.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в систему для автоматизированного контроля качества природных и сточных вод, содержащую перистальтический насос, многовходовой управляемый вентиль, смеситель, фильтр, блок пробоподготовки, проточную ячейку, связанную посредством блока детекторов с информационным входом устройства измерения конf.л)
-Ч центрации, подключенного к интерфейсной магистрали и входу регистрирующего прибора, две входные гидравлические магистрали (гидромагистрали), подключенные, соответственно, к первому и третьему входам перистальтического насоса, три выходных гидромагистрали которого посредством смесителя и подключенного к его выходу фильтра связаны с первым входом блока пробоподготовки, выход которого подключен ко входу проточной ячейки, в нее введены устройство управления режимом работы и четыре дополнительные входные гидромагистрали, три из которых подключены, соответственно, к первому, второму и третьему входам многовходового управляемого вентиля, выход которого соединен со вторым входом перистальтического насоса, четвертая дополнительная входная гидромагистраль подключена к четвертому входу перистальтического насоса, четвертый выход которого посредством гидромагистрали связан со вторым входом блока пробоподготовки, при этом информационный вход устройства управления режимом работы интерфейсной магистралью связан с выходом устройства измерения концентрации, первый, второй и третий управляемые входы которого подключены, соответственно, к выходам калибровка , измерение и детектор устройства управления режимом работы, первый и второй управляющие выходы которого подключены, соответственно, к первому и второму управляемым входам многовходового управляемого вентиля, а управляемый вход перистальтического насоса соединен с выходом детектор устройства управления режимом работы системы.
Благодаря введению в систему блока управления режимом работы, его связям с входами управления многовходового управляемого вентиля и перистальтического насоса, связям с устройством определения концентрации, а также введению в сие
.51X5  -  тему четырех дополнительных входных гидромагистралей для введения в непрерывный поток воды посредством упомянутых вентиля и насоса дозированных добавок с заданной концентрацией измеряемого вещества и реагента, обеспечивается калибровка системы в процессе работы, позволяющая существенно уменьшить отрицательное влияние таких нежелательных факторов, как осаждение взвесей на чувствительные элементы, неселективное поглощение света при фотометрическом детектировании и изменение состояния поверхности электродов при потенциометрическом методе измерения.
Это позволяет значительно повысить достоверность анализа жидкости.
Как видно из сущности предлагаемого технического решения, оно удачно сочетает в себе достоинства как непрерывного, так и проточно-инжекционного методов измерения.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется дальнейшим описанием и чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема системы, на фиг. 2 - пример схемной реализации устройства управления режимом работы системы, а на фиг.3,4- временные диаграммы, поясняющие работу системы при фотометрическом и ионометрическом методах измерения концентрации вещества в жидкости.
В соответствии с фиг. 1 система содержит перистальтический насос 1, второй вход которого через многовходовой управляемый вентиль 2 связан со входными гидромагистралями 3, 4, 5, первый, третий и четвертый входы перистальтического насоса 1 подключены, соответственно, ко входным гидромагистралям б, 7, 8, а три его выходные гидромагистрали посредством смесителя 9 и подключенного к его выходу фильтра 10 связаны с первым , sn. 1
3 -  дом блока 11 пробоподготовки, выход которого подключен ко входу проточной ячейки 12.
Проточная ячейка 12 посредством блока 13 детекторов связана с информационным входом устройства 14 измерения концентрации, включающим последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь 15 и микропроцессор 16, выход которого, являющийся информационным выходом устройства 14, соединен интерфейсной магистралью с информационными входами регистрирующего прибора 17 и устройства 18 управления режимом работы системы.
Первый и второй управляющие выходы устройства 18 управления режимом работы подключены, соответственно, к первому и второму управляемым входам вентиля 2, а его выходы калибровка (К), измерение (И) и детектор (Д) соединены, соответственно, с первым, вторым и третьим управляемыми входами устройства 14 измерения концентрации, при этом к выходу детектор устройства 18 также подключен и управляемый вход перистальтического насоса 1, четвертый выход которого посредством гидромагистрали подключен ко второму входу блока 11 пробоподготовки.
Устройство 18 управления режимом работы (см. фиг.2) выполнено на основе регистра 19, схемы 20 сравнения кодов (ССК), таймера 21, блока 22 клавиатуры, двух элементов ИЛИ 23, 24 и дисплея 25, при этом информационные входы схемы 20 сравнения кодов и дисплея 25 подключены ко входной интерфейсной магистрали устройства 18, при этом второй информационный вход схемы 20 сравнения кодов соединен с выходом регистра 19, первый и второй выходы схемы 20 сравнения кодов через элементы ИЛИ 23, 24 подключены, соответственно, к первому и второму входам тай мера 21, первый и второй выходы которого являются, соответственно, первым и вторым выходами устройства 18 управления режимом работы, выходы калибровка и измерение блока 22 клавиатуры через вторые входы элементов ИЛИ 23, 24 подключены к выходам калибровка и измерение устройства 18 управления режимом работы, выходом детектор которого является выход детектор блока 22 клавиатуры.
Предлагаемая система работает следующим образом. Сначала рассмотрим ее работу в общем виде независимо от типа установленного в блоке 13 детектора.
Как видно из фиг. 1, в системе используется четырехканальный перистальтический насос 1, первый, третий и четвертый входы которого подключены к входным гидромагистралям б, 7, 8 непосредственно, а второй подключается к входным гидромагистралям 3, 4, 5 посредством коммутирующего многовходового управляемого вентиля 2, управляемого сигналами устройства 18 управления режимом работы. Поступающие на входы 1, 2, 4 насоса 1 жидкости подаются на смеситель 9, а реагент, поступающий на его третий вход, подается при наличии сигнала управления с устройства 18 управления режимом работы непосредственно в блок 11 пробоподготовки через четвертую выходную гидронагистраль насоса 1. Отфильтрованная фильтром 10 смесь подается на первый вход блока 11 пробоподготовки, в качестве которого может быть использована гидрофобная мембрана, осуществляющая удаление пузырьков воздуха, вызывающих нежелательные пики в сигнале с детектора 13. Кроме того, она выполняет функцию смесительной спирали, посредством которой поступающий с фильтра 10 раствор смешивается с реагентом, поступающим с насоса 1. Реагент выдается в блок 11 пробоподготовки только в режиме фотометрическо OH Olju-f
a - ГО измерения. С помощью реагента в блоке 11 пробоподготовки образуется окрашенная смесь, интенсивность свечения которой соответствует концентрации измеряемой примеси. Подготовленная смесь поступает в проточную ячейку 12, которая взаимодействует с блоком 13 детекторов. При установке в блоке 13 фотометра, последний измеряет интенсивность свечения, а при установке ионоселективных электродов измеряется концентрация ионов той или иной полярности.
Сигналы с блока 13 детекторов после преобразования аналого-цифровым преобразователем 15 в цифровую форму подаются для обработки в микропроцессор 16.Результаты обработки подаются на регистрирующий прибор 17 и в устройство 18 управления режимом работы для выработки сигналов управления режимами работы системы .
Процесс работы системы состоит из двух режимов: калибровки и измерения.
Работа системы начинается с ее калибровки по сигналам с устройства 18 управления режимом, работа которого будет рассмотрена ниже. Сначала устройство 18 управления режимом работы формирует разовый сигнал детектор, указывающий, какой тип детектора должен быть установлен в блоке 13. По этому сигналу перистальтический насос 1 либо подключает, либо отключает входную гидромагистраль 7 (реагент) от второго входа блока 11 пробоподготовки, а в микропроцессоре 16 выбирается алгоритм обработки сигналов, соответствующий типу установленного детектора.
По сигналу калибровка (К) в микропроцессоре устанавливается алгоритм обработки сигналов, соответствующий режиму калибровки. Одновременно с первого выхода устройства 18 на мно§ «rvo 1 i
il - 5( ГОВХОДОВОЙ управляемый вентиль 2 подается последовательность из трех импульсов, управляющих поочередным подключением в течение заданных интервалов времени входных гидромагистралей 3, 4, 5.
По сигналу измерение (И) с устройства 18 управления режимом работы в системе устанавливается режим измерений. По этому сигналу устанавливается алгоритм обработки, соответствующий режиму измерения концентрации примеси в соответствии с приведенными ниже математическими выражениями. Многовходовой управляемый вентиль 2 возвращается в исходное положение по сигналу со второго выхода устройства 18 управления режимом работы.
Рассмотрим работу системы при фотометрии. При фотометрии на первый вход насоса 1 подается проба, на третий - раствор реагента объемом V4, а на четвертый - второй корректирующий раствор объемом V3. На второй вход насоса 1 подается раствор с вентиля 2.
В режиме калибровки на входы вентиля 2 подаются:
на первый вход - проба,
на второй вход - первый корректирующий раствор,
на третий вход - первый корректирующий раствор плюс добавка (Д).
Подача второго корректирующего раствора на четвертый вход вентиля 2 необходима для протекания реакции образования фотометрического соединения в блоке 11 пробоподготовки.
Первый корректирующий раствор, подаваемый на второй вход вентиля 2, используется для коррекции общего солесодержания в анализируемой пробе, чтобы исключить появление ложных пиков.
le которые возникают при прохождении в проточной ячейке 12 границы между растворами различной плотности.
При анализе природных вод с низким солесодержанием в качестве первогокорректирующего раствора может использоваться обычная дистиллированная или деионизированная вода.
На третий вход вентиля 2 подается смесь первого корректирующего раствора и нормированной добавки измеряемого вещества заданной концентрации.
Процесс калибровки и измерения при фотометрии иллюстрируется временной диаграммой, приведенной на фиг. 3, где обозначено:
значение сигнала с детектора 13 при подаче в насос 1 пробы с вентиля 2;
IP - значение сигнала при подаче в насос 1 первого корректирующего раствора;
1д - значение сигнала при подаче смеси первый корректирующий раствор плюс добавка;
пдк  предельно допустимое значение сигнала.
После окончания режима калибровки и обработки результатов система переключается в режим непрерывного измерения примеси в воде.
Определение концентрации вещества в анализируемой среде осуществляется по следующим зависимостям:
) 2.1
- ы
(Сисх 1 +  V2) ИСХ  к  К  ( YI +  V2) зиру
1д  к (Сд V2 + с„сх Vi);
Ч  К   2
Д12  К  Сд УЗ;
р :  р .
ИСХ Д
Д1х Сд Cjj  Cjjj,jj +  - в проточном режиме
д12(1 + V-L/Vg) измерения.
Режим непрерывного измерения продолжается до достижения сигналом с детектора значения  При наступлении этого момента устройство 18 управления режимом работы по первому выходу формирует сигнал, по которому система снова переключается в  режим калибровки, и процесс повторяется.
Работа системы в режиме ионометрии происходит аналогично, с той лишь разницей, что реагент не используется, а на первый, второй и третий входы многовходового управляемого вентиля 2 подаются соответственно: где: ,jj - концентрация определяемого вещества в аналиемой среде в период калибровки; V-L, Vj - расходы растворов по соответствующим каналам; . - суммарный расход по всем каналам; Сд - концентрация добавки; К К    - постоянная анализатора; р   исх ,(В ST  - 12 корректирующийкорректирующий Работа системы веденной на фиг. 3. Определение кон сти производится по
EI  ЕО + К ig  где Сд. выбирается из условия   CQ, CQ соответствует началу области кции индикаторного электрода.
Сисх 1 + Сд2 V2
ЛЕ,  К Ig
Сисх 1 + Сд1 V2
Сисх Vi + Сдз V2
ДЕз  ig
Сисх 1 + Сд; V2 После решения приведенной вующей подстановки в выражение
Сх Vi + Сд1 V2
ДЕу  К Ig
Zv раствор плюс вторая добавка {Д2); раствор плюс третья добавка (ДЗ). иллюстрируется временной диаграммой, прицентрации вещества в анализируемой жидкозависимостям:Сисх Vi + Сд1 V2) Q ЧЯ О I  /6 - aлинейной электродной фунсистемы уравнений и соответстопределяется значение концентрации С вещества в режиме измерения в непрерывном потоке
Эта процедура осуществляется в микропроцессоре 16.
Устройство 18 управления режимом работы системы (см. фиг.2) работает следующим образом.
Блок 22 клавиатуры предназначен для начальной установки системы в соответствующие режимы и выдачи соответствующих сигналов калибровка и измерение, сигнала детектор о типе установленного в системе детектора, а также сигналов, управляющих вентилем 2.
По сигналу калибровка запускается таймер 21, который по первому выходу выдает последовательность из трех импульсов заданной длительности, по которым многовходовой управляемый вентиль 2 последовательно подключается к входным гидромагистралям 3, 4, 5. В режиме измерение работа устройства 18 регламентируется по информации с микропроцессора 16, при этом в регистре 19 записана информация о предельно допустимом значении концентрации. Код предельно допустимой концентрации сравнивается в схеме 20 сравнения кодов с кодом текущего значения концентрации. В момент наступления равенства кодов схема 20 выдает сигнал, который установливает таймер 21 в режим выдачи по первому выходу серии из трех импульсов, что соответствует режиму калибровки. Одновременно сигнал калибровки поступает в микропроцессор 16. После окончания калибровки системы устройство 18 управления режимом работы выдает по второму выходу сигнал, управляющий установкой вентиля 2 в режим измерение и сигнал измерение на микропроцессор 16, после чего описанный выше процесс повторяется. Дисплей 25 служит для визуального отображения результатов измерения.
Гй;  Д Y ;f
. 14 Предлагаемая система благодаря периодической адаптивной калибровке позволяет повысить достоверность измерения концентрации вещества в анализируемой жидкости.
Полнота описания, представленные чертежи и временные диаграммы позволяют, используя существующие элементную базу и технологию, без особых затруднений изготовить предлагаемую систему в производстве, что характеризует ее как промышленно применимую.
5Оч i ; - Its ФОРМУЛА