БЕСКОНТАКТНЫЙ НЕФЕЛОМЕТР С КАРДАННЫМ ПОДВЕСОМ
NON-CONTACT NEPHELOMETER WITH GIMBAL SUSPENSION

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для поточного контроля качества воды, экологического мониторинга, измерения концентрации эмульсий и суспензий.
Фотоэлектрические устройства для измерения концентрации взвешенной фазы в жидких средах, как правило, представляют собой оптические устройства - турбидиметры или нефелометры [Андреев B.C., Попечителев Е.П. Лабораторные приборы для исследования жидких сред. - Л.: Машиностроение. - 1981. - С.99-101].
Недостатком многих из них является загрязнение прозрачных окон излучателей и приемников, непосредственно соприкасающихся с контролируемой средой, вследствие чего погрешности измерения становятся большими либо вообще нарушается работоспособность прибора. Существуют различные способы минимизации влияния данного фактора, например: применение механических очистителей, применение разогрева стекол, нанесение специальных антиадгезионных покрытий и т.д. [Беляков В.Л. Автоматизация промысловой подготовки нефти и воды. - М.: Недра. - 1988. - С.133]. Все они сложны и неэффективны.
Наиболее простым решением данной задачи является применение бесконтактных методов измерения концентрации. При исключении контакта жидкости с окнами фотоприемников прибор сможет находиться в рабочем состоянии гораздо более долгий период времени.
Устройством, наиболее близким к предлагаемому, является бесконтактный мутномер [патент РФ №2235991, опубл. 09.10.2004, МПК G01N 21/59]. Это устройство содержит открытый сверху сосуд-стабилизатор, имеющий входной патрубок в нижней боковой части и донную горловину, дренажную систему, излучатель, расположенный над поверхностью жидкости и просвечивающий сверху падающую струю, которая охвачена двумя кольцевыми фотоприемными матрицами, разнесенными по длине струи, причем каждая матрица состоит из множества равномерно распределенных по окружности фотоприемников, оси которых перпендикулярны направлению струи, а также схему управления и обработки сигналов. Выводы излучателя и фотоприемников подключены к схеме управления и обработки сигналов. В таком устройстве струя относительно стабильна за счет постоянства уровня в сосуде-стабилизаторе. С выхода фотоприемной матрицы снимается нефелометрический сигнал, пропорциональный яркости рассеиваемого излучения, а значит, содержанию взвешенных частиц. Результат измерения не зависит от нестабильности поперечного сечения струи и ее отклонений от вертикального направления. Поскольку результат вычисляется через отношение сигналов фотоприемных матриц, которые примерно в равной степени подвержены влиянию забрызгивания или запотевания, то влияние этих факторов также минимально.
Недостатком этого устройства является отсутствие защиты от статических перекосов прибора, что нередко происходит в полевых условиях. При случайном отклонении корпуса прибора от строго вертикального положения может произойти забрызгивание или заливание фотоприемников, неправильные показания концентрации, выход прибора из строя. Чтобы избежать этого, устройство следует крепить к опорным стойкам с помощью двухосевого карданного подвеса. Таким образом, становится неважным, как установлены опорные стойки прибора: ось прибора всегда будет параллельна действию силы тяжести. Также устройство не имеет цельного корпуса, что делает его установку и транспортировку неудобными.
Другие проблемы появляются при использовании такого прибора в полевых условиях в холодное время года: это низкие температуры окружающей среды (застывание дисперсной среды, отклонение температуры измерения от нормальной). Эта проблема может быть решена включением в состав устройства простой и дешевой системы термостатирования.
Задачей, решаемой данным изобретением, является повышение надежности устройства и обеспечение возможности его использования в полевых условиях круглогодично путем введения в конструкцию карданного подвеса и системы термостатирования.
Задача решается за счет того, что известный поточный бесконтактный нефелометр, содержащий сосуд-стабилизатор уровня со входным патрубком на боковой поверхности и донной горловиной, дренажную систему, излучатель, расположенный над сосудом-стабилизатором соосно с горловиной, матрицу фотоприемников, расположенных вокруг вытекающей из донной горловины струи, блок управления и обработки сигналов, соответствующими выводами электрически связанный с излучателем и фотоприемниками, согласно изобретению имеет внешний теплоизолированный корпус, в верхней части которого имеется двухосевой карданный механизм для подвешивания нефелометра, а внутри корпуса имеется система термостатирования, состоящая из датчика температуры и распределенного нагревателя, электрически связанных с соответствующими выводами блока управления и обработки.
На фиг.1 схематично показан предлагаемый нефелометр. Устройство содержит металлический теплоизолированный корпус 1 с двухосевым карданным подвесом 2. В боковой части сосуда-стабилизатора с донной горловиной 3, формирующей струю 4, расположена гибкая трубка подвода жидкости 5. На одной оси с горловиной расположены излучатель 6 и фотоприемная матрица 7. Ниже фотоприемной матрицы и вокруг сосуда-стабилизатора расположена дренажная система 8 с отводной гибкой трубкой 9. В верхней части корпуса находится блок управления и обработки 10. С его соответствующими выводами электрически связаны излучатель 6, фотоматрица 7, датчик температуры 11, нагреватель 12 и опорный фотоприемник 13.
Устройство работает следующим образом. В момент начала измерения блок управления и обработки 10 включает излучатель 6. Подводимая по трубке 3 исследуемая жидкость попадает в сосуд-стабилизатор 4, донная горловина которого формирует струю 5, которая подсвечивается излучателем и, падая под действием силы тяжести, проходит через фотоприемную матрицу 7, которая воспринимает рассеянный дисперсной фазой жидкости свет от излучателя. Переливающаяся через края сосуда 4 жидкость, а также жидкость, падающая в виде струи, отводятся с помощью дренажной системы 8 с отводной гибкой трубкой 9. Сигналы с фотоприемной матрицы 7 и опорного фотоприемника 13 подвергаются аналоговой обработке и оцифровываются в блоке управления и обработки 10. Цифровая обработка заключается в вычислении отношения R двух названных сигналов, которое будет свободно от влияния нестабильности яркости излучателя, и последующем вычислении мутности τ с использованием хранящейся в памяти блока 10 градуировочной формулы τ=f(R). В конце цикла измерения излучатель 6 по команде блока 10 выключается.
Наряду с процессом измерения блок 10 осуществляет поддержание заданной температуры внутри корпуса прибора. Если с датчика температуры 11 поступает сигнал, соответствующий температуре ниже определенного установленного порога (например, 5°C), то блок 10 подключает питание к нагревателю 12. По достижении достаточно высокой температуры нагреватель 12 отключается. Таким образом предотвращается замерзание жидкости в зимних условиях.
В случае если при установке прибора или в процессе работы возникают силы или условия, стремящиеся нарушить правильное расположение корпуса прибора 1 по вертикали, то это будет отработано карданным механизмом 2 таким образом, что корпус сохранит вертикальное расположение и струя жидкости 5 сохранит свое положение относительно матрицы фотоприемников 7. Таким образом, в любом случае не происходит заливание или забрызгивание фотоприемников матрицы, что положительно сказывается на общей и метрологической надежности прибора.
Устройство может быть реализовано на основе различных относительно недорогих и доступных элементов. Фотоприемники в фотоматрице 7 и опорный фотоприемник 13 могут быть реализованы на основе фотодиодов, например, типа ФД256. Излучатель 6 может быть реализован на основе красного или инфракрасного лазера либо на основе светодиода с собирающей линзой.
Блок обработки и управления 10 может быть реализован на основе программируемого микроконтроллера, например, фирм Atmel или MicroChip. Большинство подобных контроллеров кроме вычислительного ядра имеют встроенные аналого-цифровые преобразователи и память.
Нагреватель 12 может быть реализован на основе изолированной нихромовой спирали.
Датчик температуры 11 может быть реализован на терморезисторе.
Сосуд-стабилизатор 4 и дренажная система 8 изготавливаются из ABS-пластика. Трубки подвода 3 и отвода 9 выполняются из силиконовых кремнеорганических материалов или морозоустойчивой резины.
Корпус 1 выполняется из нержавеющего металлического сплава с утеплителем из пенопласта.
Карданный механизм выполняется на базе стандартного узла, хорошо известного, например, в автомобильном производстве.
Предлагаемый нефелометр выгодно отличается от прототипа наличием теплоизолированного корпуса с системой термостатирования и карданным подвесом, компенсирующим отклонения корпуса прибора от вертикального положения.