Проточная измерительная ячейка для контроля качества питьевой воды в режиме реального времени

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для контроля физико-химических свойств жидких проб, преимущественно воды и водных растворов, например, в устройствах экспресс-анализа качества питьевой воды на станциях водоподготовки питьевой воды и является эффективным средством определения неисправностей в системах очистки питьевой воды.
Из уровня техники известна «Проточная мультисенсорная потенциометрическая ячейка для анализа малых объемов жидких образцов» по патенту RU 2537094 C1, заявка 2013120898 от 06.05.2013, МПК G01N 27/333, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет» (СПбГУ) (RU), содержащая корпус из полимерного материала, представленный расположенными в ряд ионоселективными сенсорами в количестве не менее двух, причем каждый сенсор имеет чувствительный элемент, выполненный в виде сенсорной мембраны из поливинилхлорида и пластификатора с ионофорами, и снабжен проводником для подключения к измерительному прибору с расстоянием между чувствительными элементами не менее 2 мм, электрод сравнения и емкость для анализируемых образцов, при этом корпус выполнен трубчатым из поливинилхлорида, а соединение ионоселективных сенсоров выполнено бесшовным.
Недостатком данного технического решения является отсутствие датчиков концентрации свободного хлора и температуры, а также оптических средств для определения цветности, мутности, ультрафиолетового пропускания и ультрафиолетовой люминесценции.
Известна «Измерительная ячейка» по патенту RU 2690081 C1, заявка 2018131624 от 03.09.2018, МПК G01N 27/00, Общество с ограниченной ответственностью «Научно-производственное предприятие «ТЕХНОПРИБОР» (RU), состоящая из трех последовательно соединенных каналами проточных камер, в которых установлены датчик температуры и электроды, источник подщелачивающего реагента, при этом первая проточная камера снабжена входным штуцером, а третья проточная камера снабжена штуцером для слива пробы, при этом измерительная ячейка содержит блок подщелачивания, в котором источник подщелачивающего реагента выполнен в виде цилиндрической емкости, снабженной герметичной крышкой цилиндроконической формы, под которой установлена газопроницаемая мембрана, образующая с внутренней поверхностью крышки камеру насыщения парами подщелачивающего реагента, канал, подводящий контролируемую среду в камеру насыщения, выполнен тангенциально в нижней части цилиндрической стенки крышки, а канал, отводящий контролируемую среду, выполнен вертикально в верхней конической части крышки, при этом выходной канал первой проточной камеры соединен с входом двухходового переключателя потока, первый выход которого соединен с каналом, подводящим контролируемую среду в камеру насыщения блока подщелачивания, канал, отводящий контролируемую среду из камеры насыщения блока подщелачивания, и второй выход двухходового переключателя потока соединены с входом второй проточной камеры, при этом в первой проточной камере установлен или датчик растворенного кислорода, или датчик растворенного водорода, и/или датчик температуры, во второй проточной камере установлен ионоселективный электрод, а в третьей проточной камере установлен опорный электрод или комбинированный рН-электрод.
Недостатком известного решения является отсутствие средств для определения концентрации свободного хлора, цветности, мутности, ультрафиолетового пропускания и ультрафиолетовой люминесценции.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является «Проточная кювета для оптического измерительного прибора и способ ее работы» по заявке US 2020/0158627 A1, опубликованной 21.05.2020., МПК G01N 21/05, G01N 21/03, представляющая проточную кювету, имеющую входной патрубок, выходной патрубок, плоскопараллельные боковые поверхности, на которых расположено два или четыре электрода для измерения электропроводности, при этом кювета имеет продольную ось, а электроды расположены в верхней или нижней трети кюветы. Таким образом, достигается возможность как двухполюсного, так и четырехполюсного измерения проводимости. Кювета также содержит оптическое средство для качественного (и/или количественного) определения, по крайней мере, одного анализируемого вещества в воде. Оптическое средство измерения позволяет проводить колориметрический, спектроскопический и поляриметрический анализ, для чего оно содержит соответствующие источники и приемники оптического излучения. Оптическое средство измерения также имеет, по меньшей мере, один режим измерения для оптических измерений: контроль уровня заполнения кюветы, контроль опорожнения кюветы, контроль загрязнения кюветы. Кювета может также содержать датчик температуры и датчик pH.
Общим недостатком выше описанных технических решений, включая прототип, является узкий диапазон функциональных возможностей.
Задача заявленного технического решения заключается в создании надежной и эффективной измерительной ячейки с расширенными функциональными возможностями.
Технический результат при использовании полезной модели проявляется в расширении диапазона контролируемых параметров, при обеспечении непрерывного мониторинга наличия органических, неорганических и биологических загрязнителей в питьевой воде.
Технический результат достигается тем, что проточная измерительная ячейка для контроля качества питьевой воды в режиме реального времени, включающая в себя корпус, входной патрубок, выходной патрубок, датчики для определения температуры, электропроводности, pH, и оптическое средство  измерения, дополнительно содержит датчики для определения окислительно-восстановительного потенциала и концентрации свободного хлора, а оптическое средство измерения выполнено с возможностью проведения  люминесцентного анализа.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена схема измерительной ячейки,
где 1 - датчик для определения pH;
2 - датчик для определения окислительно-восстановительного потенциала;
3 - датчик для определения электропроводности;
4 - датчик для определения концентрации свободного хлора;
5 - датчик температуры;
6 - корпус;
7 - источник оптического излучения с длиной волны 405 нм;
8 - источник оптического излучения с длиной волны 525 нм;
9 - источник оптического излучения с длиной волны 270 нм;
10 - источник оптического излучения повышенной мощности с длиной волны 272 нм;
11 - область, заполняемая водой;
12, 13 - приемники оптического излучения;
14 - оптические окна;
15 - оптический фильтр;
16 - входной патрубок;
17 - выходной патрубок;
18 - блок управления и регистрации измерений.
Проточная измерительная ячейка для контроля качества питьевой воды в режиме реального времени состоит из корпуса 6 и содержит входной патрубок 16, выходной патрубок 17, датчики для определения следующих характеристик питьевой воды: температуры (5), кислотности (1), окислительно-восстановительного потенциала (2), электропроводности (3), концентрации свободного хлора (4). Датчики представляют собой самостоятельные изделия и закрепляются в ячейке посредством соответствующих герметично уплотняемых входов. Измерительная ячейка дополнительно содержит монохромные источники оптического излучения 7, 8, 9, 10 и приемники оптического излучения 12 и 13, функционально представляющие собой оптическое средство измерения, позволяющее производить колориметрический и люминесцентный анализ. Источники представляют собой светоизлучающие диоды. Источник 7 с центральной длиной волны 405 нм предназначен для измерения цветности посредством определения коэффициента пропускания исследуемой среды. Источник 8 с центральной длиной волны 525 нм предназначен для измерения мутности посредством определения коэффициента пропускания исследуемой среды. Источник 9 с центральной длиной волны 270 нм предназначен для измерения УФ-пропускания посредством определения коэффициента пропускания исследуемой среды. Источник 10 имеет повышенную мощность и центральную длину волны 272 нм. Он предназначен для измерения величины УФ-люминесценции. Датчики 1, 2, 3, 4, источники излучения 7, 8, 9, 10, датчик температуры 5 и приемники 12 и 13 выполнены с возможностью подключения к блоку управления и регистрации измерений 18, содержащему соответствующие схемы питания для источников и усиления для датчиков и приемников оптического излучения.
Оптические измерения производятся в области объема измерительной ячейки 11, заполняемого исследуемой водой, в котором с одной стороны установлены источники оптического излучения 7, 8, 9. Оси источников 7, 8, 9 направлены в приемник 12, расположенный с противоположной от источников стороны исследуемого объема воды. Ось приемника оптического излучения 12 направлена в сторону источников 7, 8 и 9. Приемник 13 установлен рядом с приемником 12, их оси параллельны. Источник 10 установлен сбоку от приемника 13 так, чтобы его излучение не проходило напрямую в приемники 12 и 13. Ось источника 10 перпендикулярна к оси источника 13. Источники 7, 8, 9, 10 и приемник 12 отделены от исследуемого объема оптическими окнами 14 из кварцевого стекла, прозрачного в ультрафиолетовой области спектра. Приемник 13 отделен от исследуемого объема оптическим фильтром 15, непрозрачным в ультрафиолетовой области спектра и прозрачным в видимой области спектра.
Измерительная ячейка для контроля качества питьевой воды в режиме реального времени работает следующим образом.
Вода поступает в область ячейки, заполняемую водой 11 (ограниченную корпусом 6, оптическими окнами 14 и оптическим фильтром 15), через входной патрубок 16, выходит через выходной патрубок 17. При протекании воды блок управления и регистрации измерений 18 производит фиксацию показаний датчика 4, измеряющего концентрацию свободного хлора. После протекания через ячейку определенного количества воды (например, двух внутренних объемов ячейки), поток воды останавливается и происходит поочередная фиксация измеряемых параметров. Сначала поочередно фиксируются величины кислотности (датчик 1), окислительно-восстановительного потенциала (датчик 2), температуры (датчик 5) и электропроводности (датчик 3). После этого происходит кратковременное поочередное включение источников 7, 8, 9. Излучение от источников 7, 8, 9 последовательно проходит через входное окно 14, объем, заполняемый водой 11 и выходное окно 14, попадая на приемник 12.  В это время производится фиксация уровня сигнала с приемника 12. Показания с приемника 12 в блоке управления и регистрации измерений 18 через калибровочные коэффициенты пересчитываются в градусы цветности, мутности и в относительное УФ-пропускание. После этого происходит кратковременное включение источника 10. Излучение от источника 10 через входное окно 14 попадает в исследуемую среду. Излучение, возникающее в исследуемой среде в результате люминесценции, попадает через оптический фильтр 15 на приемник 13. В это время происходит фиксация уровня сигнала с приемника 13. Показания приемника 13 в блоке управления и регистрации измерений 18 через калибровочные коэффициенты пересчитываются в условные единицы величины УФ-люминесценции. После завершения измерений, поток воды через ячейку возобновляется.
Реализация в одном приборе всех вышеупомянутых методов анализа с возможностью проведения измерений через небольшие промежутки времени (необходимые для протекания через измерительную ячейку определенного количества воды) без необходимости отбора и лабораторного исследования пробы дает возможность непрерывного мониторинга качества питьевой воды.