ШИРОКОДИАПАЗОННЫЙ БЕСКОНТАКТНЫЙ МУТНОМЕР

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована при решении задач непрерывного контроля качества воды, экологического мониторинга, измерения концентрации дисперсной фазы эмульсий и суспензий.
Поточные контактные мутномеры, как правило, представляют собой оптические турбидиметры или нефелометры [Измерения в промышленности: Справочник в 3-х кн. Кн.3. Способы измерения и аппаратура: Пер. с нем. / Под ред. Профоса П. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1990. - С.106-107]. Их общим недостатком является загрязнение прозрачных окон излучателей и приемников, непосредственно соприкасающихся с контролируемой средой, вследствие чего погрешности измерения становятся очень большими, либо вообще нарушается работоспособность устройства. Существуют различные способы минимизации влияния этого фактора, например: применение ультразвука [Патент США №6324900. НКИ 73/61.48, МПК G 01 N 21/00. Опубл. 04.12.2001], разогрев стекол, обработка их гидрофобизирующими составами, применение механических очистителей, применение измерительных кювет с переменной толщиной рабочего слоя и т.д. [Беляков В.Л. Автоматизация промысловой подготовки нефти и воды. - М.: Недра. - 1988. - С.133]. Все они сложны и не всегда эффективны (например, когда дисперсная фаза липкая, как в эмульсиях типа «нефть в
воде»).
Один из эффективных способов устранения влияния загрязнения окон на результат - использование бесконтактных схем построения мутномеров, в которых между оптическими элементами и жидкой средой находится воздушный промежуток. В их основе обычно лежат конструкции, в которых формируется свободная поверхность непрерывно протекающей жидкости с постоянным уровнем, над которой устанавливаются излучатель. Фотоприемник устанавливается либо над той же поверхностью жидкости [Патент США №3309956. НКИ 88-14. Опубл. 21.03.1967], либо перпендикулярно вытекающей струе. Сигнал на выходе фотоприемников обычно пропорционален концентрации взвешенных частиц.
Типичным примером реализации струйной бесконтактной схемы построения мутномеров является устройство [Патент США №5489977. НКИ 356/73, МПК G 01 B 21/00. Опубл. 06.02.1996] с поперечным просвечиванием струи. В нем формируется вертикальная струя жидкости, перпендикулярно ей располагается излучатель, просвечивающий струю, а перпендикулярно прямому лучу располагается фотоприемник, предназначенный для формирования нефелометрического сигнала.
Недостатком таких устройств является зависимость результата от состояния струи, нестабильности излучателя и фотоприемника, возможного запотевания или забрызгивания прозрачных окон последних.
Наиболее близким по функциональным и конструктивным признакам к предлагаемому устройству является бесконтактный мутномер WTM500 фирмы Sigrist Photometer AG (Швейцария) [Rogner A. Turbidity Measurement in drinking water applications - new requirements and approaches // International Environmental Technology. - Vol.8, №6. - 1998. - Pp.9-10, (опубликовано также на сайте http://www.photometer.com)], который
содержит открытый сверху основной сосуд, имеющий патрубок в нижней боковой части для подачи жидкости и сливную горловину в дне для формирования свободно падающей равномерной струи, дренажную систему для отвода жидкости, переливающейся через верх основного сосуда и утекающей в виде падающей струи, излучатель, расположенный над поверхностью жидкости и просвечивающий сверху падающую струю, рядом с которой установлено фотоприемное устройство, состоящее из двух одинаковых разнесенных по вертикали фотоприемников, оси которых перпендикулярны направлению струи, а также контроллер для управления и обработки сигналов. Выводы излучателя и фотоприемников подключены к контроллеру управления и обработки сигналов. В таком устройстве струя относительно стабильна за счет постоянства уровня в основном сосуде. С выходов фотоприемников снимаются нефелометрические сигналы, пропорциональные яркости рассеиваемого излучения. А так как вдоль струи интенсивность ее свечения изменяется по экспоненциальному закону, то уровень сигнала на нижнем фотоприемнике будет меньше, чем на верхнем. С помощью контроллера осуществляется деление этих сигналов, и вычисленное отношение, свободное от влияния нестабильности яркости излучателя, служит для расчета содержания взвешенных частиц.
Недостатком этого устройства является то, что динамический диапазон измерений ограничен, т.к. расстояние между фотоприемниками фиксировано, а наивысшая точность в разных диапазонах мутности достигается при разных значениях этого расстояния. Кроме того, имеют место погрешности из-за нестабильности формы и направления струи, а также возможные дополнительные погрешности из-за запотевания и забрызгивания фотоприемников. Задача, решаемая в полезной модели, заключается в расширении динамического диапазона мутномера за счет
модификации системы фотоприемников, а также в повышении точности и метрологической надежности устройства.
Задача решается тем, что в известном бесконтактном мутномере, содержащем открытый сверху основной сосуд, имеющий патрубок в нижней боковой части для подачи жидкости и сливную горловину в дне для формирования вертикально падающей равномерной струи, дренажную систему для отвода жидкости, переливающейся через верх основного сосуда и утекающей в виде падающей струи, излучатель, расположенный над поверхностью жидкости и просвечивающий сверху падающую струю, рядом с которой установлено фотоприемное устройство, а также контроллер для управления и обработки сигналов, в отличие от прототипа, фотоприемное устройство выполнено в виде нескольких одинаковых кольцеобразных фотоприемников с внутренним диаметром 1,5-2 диаметра струи и шириной не более диаметра струи, причем внутренние светочувствительные поверхности фотоприемников направлены на струю, все фотоприемники разнесены по вертикали равномерно друг от друга на расстояния, превышающие диаметр струи, и подключены ко входам соответствующих усилителей, выходы которых соединены с соответствующими входами контроллера, реализующего нейросетевую обработку сигналов, а управляющий выход контроллера подключен к излучателю.
На фиг.1 схематично показан предлагаемый мутномер. На фиг.2 показаны выходные сигналы фотоприемников в зависимости от концентрации дисперсной фазы.
Устройство содержит открытый сверху основной сосуд 1, имеющий патрубок 2 в нижней боковой части для подачи жидкости, и сливную горловину 3 в дне для формирования свободно падающей равномерной струи 4, дренажную систему 5 для отвода жидкости, переливающейся через верх основного сосуда 1 и утекающей в виде
падающей струи 4, излучатель 6, расположенный над поверхностью жидкости и просвечивающий сверху падающую струю 4, которую охватывает фотоприемное устройство, состоящее из нескольких одинаковых кольцеобразных фотоприемников 7 с внутренним диаметром 1,5-2 диаметра струи и шириной не более диаметра струи, причем внутренние светочувствительные поверхности фотоприемников 7 направлены на струю 4, все фотоприемники разнесены по вертикали равномерно друг от друга на расстояния, превышающие диаметр струи, и подключены ко входам соответствующих усилителей 8, выходы которых соединены с соответствующими входами контроллера 9, реализующего нейросетевую обработку сигналов, а управляющий выход контроллера 9 подключен к излучателю 6.
Устройство работает следующим образом. Через патрубок 2 в основной сосуд 1 непрерывно подается контролируемая жидкость. Жидкость поднимается вверх и затем переливается через стенки вниз, где собирается и удаляется с помощью дренажной системы 5. Кроме того, жидкость стекает в виде ровной и непрерывной струи 4 через сливную горловину 3. Этому способствует то, что в верхней части сосуда 1 создается свободная поверхность жидкости фиксированного уровня. Поскольку уровень не изменяется, то и гидростатичесое давление на дне сосуда 1 неизменно, и расход через горловину 3 нормализован. Жидкость, сливающаяся в виде струи 4, также собирается и отводится с помощью дренажной системы 5. В начале цикла измерения по сигналу контроллера 9 включается излучатель 6, который просвечивает объем жидкости в сосуде 1 и стекающую струю 4. Фотоприемники 7 воспринимают рассеянное взвешенными частицами излучение в соответствующих сечениях струи. Сигналы фотоприемников подаются на входы соответствующих усилителей 8, где усиливаются.
Кольцеобразные фотоприемники позволяют существенно увеличить метрологическую надежность мутномера и точность измерений по сравнению с аналогами, где используются единичные точечные фотоприемники, т.к. случайные изменения конфигурации сечения струи и отклонения ее от вертикального направления практически не изменяют сигналы на выходе фотоприемников, воспринимающих интегральный световой поток в определенном сечении струи.
Усиленные сигналы подаются на соответствующие входы контроллера 9, где они подвергаются аналого-цифровому преобразованию и дальнейшей вычислительной обработке. Эта обработка заключается, прежде всего, в нахождении отношений сигналов:
1
0
1
2
0
2
3
0
3
4
0
4
0
R=U/U, R=U/U, R=U/U, R=U/U и т.д., где u - напряжение на выходе усилителя 0-го фотоприемника (верхнего по схеме);
1
4
U...U - напряжение на выходах других усилителей.
0
i
Таким образом, напряжение U является опорным, а найденные отношения R свободны от нестабильности излучателя.
i
Отношения R используются в качестве входов искусственной нейросети, реализованной программно, заранее обученной при градуировке и запомненной в памяти контроллера. На единственном выходе нейросети формируется искомое значение мутности или концентрации, которое индицируется на встроенном индикаторе контроллера 9 или, при необходимости, передается во внешние информационные сети. На время вычислений излучатель 6 гасится в целях его более экономичной работы. Затем цикл повторяется.
Существенным отличительным элементом предлагаемого мутномера является фотоприемное устройство, состоящее из нескольких одинаковых
кольцеобразных фотоприемников 7, охватывающих струю 4 и равномерно распределенных по ее длине. Количество фотоприемников предпочтительно выбирать от трех до пяти. Расстояние от фотоприемников до струи выбирается таким, чтобы исключить забрызгивание фотоприемников и, в то же время, обеспечить достаточную чувствительность. Поэтому предпочтительно выбирать внутренний диаметр колец фотоприемников равным 1,5-2 диаметра струи. Ширина колец и расстояние между ними должны выбираться так, чтобы диаграммы направленности фотоприемников не перекрывались или перекрывались незначительно. Например, при ширине колец, равной диаметру струи, расстояния между кольцами можно выбрать равными или превышающими диаметр струи (2-5 диаметров струи).
Необходимость установки нескольких фотоприемников и обработки их сигналов с помощью нейросети объясняется следующим.
i
1
2
Для возможности использования мутномера одновременно для разных диапазонов мутности установлены не два, как в прототипе, а несколько фотоприемников, разнесенных по длине струи. В зависимости от концентрации дисперсной фазы С сигналы фотоприемников распределяются по-разному (см. фиг.2). На графике 0-я позиция соответствует верхнему фотоприемнику. Для светлых жидкостей (малые концентрации взвешенных частиц) целесообразно в логометрическое преобразование R включать сигналы U с крайних фотоприемников как наиболее различающиеся (см. график для С на фиг.2, поз.0, 4). Для сильно замутненных сред в логометрическое отношение лучше включать сигналы двух ближних фотоприемников (график для С, поз.0, 1), так как затухание по длине струи будет значительным, и на дальних фотоприемниках сигналы могут оказаться сравнимыми с уровнем шумов.
Таким образом, для разных значений мутности оптимальными с точки зрения достигаемой точности оказываются разные комбинации фотоприемников, сигналы которых включаются в логометрическое отношение.
При градуировке такого мутномера традиционными методами можно было бы использовать многомерную аналитическую зависимость,
i
1
2
3
4
i
i
i
i
связывающую концентрацию С с измеренными логометрическими величинами R, например: C=f(R, R, R, R). Коэффициенты при R определялись бы с помощью метода наименьших квадратов. Однако сам вид функции f известен неточно и зависит от многих факторов, поэтому эту зависимость лучше воспроизводить не аналитически, а с помощью обучаемой нейросети. При этом получаемая информация будет обладать некоторой избыточностью, но эта избыточность будет повышать точность и достоверность определения концентрации. Фактически при градуировке нейросеть будет запоминать входные образы (сочетания нескольких отношений R), соответствующих тому или иному значению С. Так как измерения R обладают некоторой погрешностью, то использование нескольких значений R вместо одного повышают достоверность принадлежности входного образа определенному значению С.
При практической реализации устройства не предполагается использование дорогих и дефицитных элементов. Излучатель 6 представляет собой светодиод достаточной мощности и с достаточно узкой угловой апертурой излучения или лазер. Предпочтительным частотным диапазоном излучателя является диапазон красного или инфракрасного излучения. В качестве фотоприемников 7 лучше всего использовать фотодиодные структуры или фотоэлементы кольцеобразной формы. Эти кольца могут быть сформированы из ленты-подложки с нанесенным внутренним светочувствительным слоем, либо собраны из отдельных стандартных элементов. Усилители 8 могут быть выполнены на базе операционных усилителей. Контроллер 9 может быть выполнен на основе одного из широко распространенных программируемых PIC-контроллеров фирмы Microchip. Типом используемой нейросети может быть, например, многослойный персептрон [Круглов В.В., Борисов В.В. Искусственные нейронные сети. Теория и практика. - М.: Горячая линия - Телеком, 2001. - С.53-58]. Дренажная система 5 может состоять из нескольких элементов (например, водосборных желобов, трубочек,
воронок и т.п.), которые в совокупности выполняют функцию сбора и отвода жидкости.
Описанное устройство обладает следующими преимуществами по сравнению с прототипом:
- более широким диапазоном измерения мутности за счет особой конструкции многоэлементного фотоприемного устройства и нейросетевой технологии обработки сигналов;
- более высокими чувствительностью и разрешающей способностью за счет получения нефелометрического сигнала интегрально вокруг подсвечиваемой струи (что способствует увеличению отношения «сигнал-шум») и, как следствие, более высокой точностью определения мутности;
- повышенной метрологической надежностью, так как влияние запотевания или забрызгивания излучателя и фотоприемников сводится к минимуму за счет сочетания логометрического принципа вычисления результата и осредняющего эффекта кольцеобразных фотоприемных структур.
Кроме того, избыточность измерительной информации, перерабатываемой нейросетью, также способствует повышению метрологической надежности.