УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОНОЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО КОНТРОЛЯ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ СОДЕРЖАНИЯ ПРИМЕСЕЙ В ВОДЕ

Полезная модель относится к устройствам для анализа жидких сред оптическими (и акустическими) средствами, а именно, к устройствам для контроля содержания примесей в воде по сигналу фототока сонолюминесценции.
Наиболее удобными при разработке методик экспресс-контроля суммарного содержания растворенных органических веществ в природных водах являются методы, предусматривающие создание безреагентных сенсоров. Перспективным для построения неселективных датчиков химических аномалий является эффект сонолюминесценции (СЛ), в первую очередь, в силу зависимости интенсивности СЛ от содержания неопределенно широкого круга возможных компонентов водных объектов: биотических и антропогенных растворенных органических веществ разной природы, неорганических ионов, растворенных газов, коллоидных частиц, любых "тушителей" и катализаторов сонолюминесценции и хемилюминесценции, веществ обладающих хромофорными группами в ультрафиолетовом и видимом диапазонах спектра. Люминесценция известна также как очень удобный аналитический параметр при создании методов непрерывного контроля качества природных вод, поскольку ее характеристики коррелируют с составом и свойствами растворенных в воде веществ (см. Гришаева Т.И. Методы люминесцентного анализа: Учебное пособие для вузов. - СПб.: АНО НПО «Профессионал», 2003. - 226 с; Аналитическая химия. Проблемы и подходы / пер. с англ. / под ред. Р. Кельнера. - М.: "Мир": Издательство ACT, 2004. - т. 1. - с. 318-337).
Из уровня техники известно устройство для люминесцентного контроля содержания примесей в воде, содержащее насос для подачи водной пробы, проточную кювету с оптически прозрачным окном, входным штуцером, соединенным с напорной линией насоса, и выходным штуцером, ультразвуковой генератор с излучателем и фотоэлектронный умножитель, расположенный за оптически прозрачным окном кюветы (см. патент RU 28398, кл. G01N 29/02, опубл. 20.03.2003). Недостатками известного устройства являются ограниченность регистрируемых параметров и недостаточная информативность проводимого анализа.
Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что устройство для сонолюминесцентного контроля содержания примесей в воде содержит насос для подачи водной пробы, проточную кювету с оптически прозрачным окном, входным штуцером, соединенным с напорной линией насоса, и выходным штуцером, ультразвуковой генератор с излучателем и фотоэлектронный умножитель, расположенный за оптически прозрачным окном кюветы, причем фотоэлектронный умножитель связан с системой регистрации, обеспечивающей возможность записи изменения интенсивности сонолюминесценции в режиме реального времени.
-6
3
3
На фиг. 1 представлена общая схема предлагаемого устройства с малым (V=22,7·10 м=22,7 см) объемом проточной водной пробы;
СЛ
aк2
3
на фиг. 2 - запись в реальном времени изменения интенсивности СЛ свечения (I, mkA) проточной водной пробы с различными растворенными веществами от времени (t, мин) (время контроля каждой пробы -t=5 мин; энергетическое насыщение: W=10,30 Вт/см);
ак7
3
на фиг. 3 - то же, что на фиг. 2 при энергетическом насыщении W=5,80 Вт/см.
Предлагаемое устройство для сонолюминесцентного контроля содержания примесей в воде построено так, чтобы обеспечить попадание потока водной пробы в проточную затемненную кювету, в которой создается зона возбуждения суммарного СЛ свечения, собственно, зона контроля состояния водной среды.
Устройство содержит расходную емкость пробы 1, шаговый насос 2 для подачи водной пробы, проточную кювету 3 в металлическом корпусе, приемную емкость 4, ультразвуковой генератор 5 и фотоэлектронный умножитель 6 (ФЭУ-85, спектральные характеристики: область 30(Н650 нм, длина волны в максимуме чувствительности 440 нм). Кювета 3 снабжена оптически прозрачным кварцевым окном 7, входным 8 и выходным 9 штуцерами. Входной штуцер 8 соединен с напорной линией 10 насоса 2, а выходной штуцер 9 - с линией 11 слива пробы. Ультразвуковой (УЗ) генератор 5 соединен с однополуволновым излучателем 12, который снабжен концентратором 13, герметично закрепленным в кювете 3 через уплотнительное кольцо 14. Фотоэлектронный умножитель 6 снабжен блоком питания 15 и связан с системой регистрации 16, обеспечивающей возможность записи изменения интенсивности сонолюминесценции в кавитационной зоне 17 в режиме реального времени.
Таким образом, экспериментальное устройство, обеспечивающее возбуждение, регистрацию и исследование сонолюминесцентного свечения (СЛ свечения) в кавитационной зоне, создаваемой в объеме проточной водной пробы, включает в себя легкодоступные комплектующие, разрешенные к серийному использованию.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
УЗ генератор 5 возбуждает акустические колебания излучателя 12, герметичный корпус которого обеспечивает полную электрическую развязку пьезопреобразователя и его концентратора 13 и акустическую развязку с корпусом проточной кюветы 3. В объеме водной пробы, заполняющей проточную кювету 3, у колеблющегося рабочего торца концентратора 13 создается кавитационная зона 17.
Слабое люминесцентное свечение, возникающее в кавитационной зоне 17, попадает через кварцевое окно 7 на фотокатод стандартизованного фотоэлектронного умножителя 6. Изменение интенсивности возбуждаемого в кавитационной зоне 17 суммарного СЛ свечения, в диапазоне видимого света (λ=37(370÷700 нм), усиливается фотоэлектронным умножителем 6, запитанным от высоковольтной схемы в блоке 15. Усиленный сигнал регистрируется в системе регистрации фототока 16, обеспечивающей непрерывную запись изменения СЛ сигнала непосредственно при протекании через проточную кювету 3 водной пробы (в реальном времени).
3
Поток водной пробы из расходной емкости 1 шланговым насосом 2 с объемной подачей 80 см/мин, подается по напорной линии 10 в корпус проточной кюветы 3, где активно перемешивается в мощных гидродинамических потоках кавитационной зоны 17, а, затем, по линии 11 слива пробы собирается в приемной емкости 4. Уровень жидкости в проточной кювете 3 определяется высотой выходного штуцера 9 и выбран так, чтобы концентратор 13 был погружен в воду не менее чем на 50 мм. Величина амплитуды колебаний рабочего торца концентратора 13, определяет уровень энергетического насыщения кавитационной зоны 17 - объемную плотность акустической энергии в зоне НЧУЗ воздействия (табл.1).
Кавитационная зона 17 стабильно формируется у колеблющегося в водной среде рабочего торца концентратора 13 низкочастотного ультразвукового (НЧУЗ) воздействия. Кавитационную зону 17 можно наблюдать при боковом освещении водного объема рассеянным светом в виде облака пузырьков разных размеров, часть которых уносится из кавитационной зоны акустическими потоками.
Включение "блока возбуждения СЛ свечения" (генератора 5 с излучателем 12 и концентратором 13) в СЛ анализатор, позволяет создать в малом объеме проточной водной пробы кавитационную зону 17, возбуждающую в объекте контроля СЛ свечение, и изменяемую в широких пределах мощность НЧУЗ воздействия.
Наличие высокотехнологичной системы регистрации 16 обеспечивает возможность в пределах эксперимента не ограничивать время непрерывного НЧУЗ воздействия, что уникально и крайне важно для проведения непрерывного контроля состояния водной среды и при длительных исследованиях зависимости интенсивности СЛ свечения различных водных проб от мощности УЗ воздействия на всех уровнях энергетического насыщения кавитационной зоны.
СЛ
aк2
3
Особенностью предлагаемого устройства является то, что оно позволяет получать в реальном времени зависимости интенсивности сонслюминесценции растворенных веществ в водных пробах от мощности УЗ воздействия. Запись в реальном времени изменения интенсивности СЛ свечения (I, mkA) проточной водной пробы с различными растворенными веществами от времени (t, мин) при энергетическом насыщение кавитационной зоны: W=5,80 и 10,30 Вт/см показаны на фиг. 2-3.
Предлагаемое устройство для сонолюминесцентного контроля содержания примесей в воде необходимо как для изучения водных экосистем, так и для контроля технологических процессов, включая процессы водоочистки и водоподготовки.
Таблица 1
АКУСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КАВИТАЦИОННОЙ ЗОНЫ
№ п/п
Амплитуда колебаний рабочего торца УЗХИ, А<sub>рт</sub>, МКМ
Объем зоны нчУЗ воздействия, V, см<sup>3</sup>
Объемная плотность акустической энергии, W<sub>ак</sub>, Вт/см<sup>3</sup>
1
15
0,48±0,02
15,62±0,68
2
22
1,01±0,05
10,30±0,46
3
29
1,53±0,07
8,50±0,41
4
36
2,06±0,10
7,47±0,37
5
43
2,59±0,13
6,83±0,33
6
50
3,11±0,15
6,27±0,31
7
57
3,64±0,18
5,80±0,29
8
64
4,17±0,21
5,37±0,27
9
70
4,69±0,24
4,92±0,25