Фотометрическое устройство обнаружения нефтепродуктов в воде

Полезная модель относится к измерительной технике для обнаружения и диагностики степени загрязнения нефтепродуктами жидкости, в частности к спектрофотометрической аппаратуре, и может быть использована для анализа количества содержания примесей нефтепродуктов в сточных водах систем охлаждения или до/после очистных сооружений.
Известно фотометрическое устройство распознавания многокомпонентных примесей нефтепродуктов в воде (патент РФ № 172097, опубл. 28.06.2017 по индексам МПК G01N21/33, G01J3/32), состоящее из широкополосного источника ультрафиолетового излучения, проточной кюветы, фотоприемного устройства и устройства управления фотоприемником и анализа фотосигналов. Фотоприемное устройство выполнено в виде алмазного фотоприемника с зависящей от величины напряжения смещения формой аппаратной функции фоточувствительности в диапазоне 190÷240 нм. Устройство управления фотоприемником и анализа фотосигналов получает сигналы от фотоприемника и на их основе рассчитывает концентрации нефтепродуктов в воде по алгоритму, построенному на основе решения системы линейных уравнений, построенной на основе закона поглощения света Бугера-Ламберта-Бэра и предположения отсутствия взаимодействия нефтепродуктов с водой и друг с другом.
Известна система гранулометрического анализа жидких дисперсных сред (патент РФ № 2626381, опубл. 26.07.2017 по индексу МПК G01N15/02), содержащая источник светового излучения, фотокамеру и нейросетевой блок. Исследуемый материал поступает из технологического резервуара 1 в проточную измерительную камеру 3, куда вводится зондирующий коллимированный световой луч, при этом картина рассеянного средой излучения снимается цифровой фотокамерой 10. В модуле выборки признаков 11 производится отбор необходимых для нейросетевого преобразования данных в нейросетевом блоке 12. Обучающий вектор подается в блок 12 с блока объективного анализа 14, основанном на седиментометрическом или микроскопическом методе гранулометрического анализа. Обучение нейросетевого блока происходит при начальной градуировке, а также в случаях, когда картина рассеяния света сильно отличается от уже известных.
Известны способ и система обнаружения нефтепродуктов на поверхности моря (патент США 2016350908, опубл. 01.12.2016 по индексам МПК G06K9/00, G06T7/00). Система распознавания поведения может включать в себя как механизм компьютерного зрения, так и механизм машинного обучения, сконфигурированный для наблюдения и изучения моделей поведения в видеоданных. Механизм компьютерного зрения может быть сконфигурирован для сегментации данных изображений на обнаруженные пятна или капли поверхностного масла (передний план), присутствующие в поле зрения инфракрасной камеры (или камер). Механизм машинного обучения может оценивать обнаруженные участки поверхностной нефти, чтобы научиться различать нефть с поверхности моря, попадающую в процессе эксплуатации морской платформы, и появление нефти на поверхности, которую должен исследовать персонал платформы.
Недостатками известных аналогов являются сложность конструкций, сравнительно высокая трудоемкость обработки полученных сигналов, недостаточная точность в части определения концентрации нефтепродуктов.
Заявляемое фотометрическое устройство направлено на устранение перечисленных недостатков.
Техническая проблема заявляемой полезной модели заключается в создании фотометрического устройства с существенным упрощением конструкции, принцип работы которого основан на фотометрическом принципе обнаружения нефтепродуктов в воде без потери чувствительности и точности обнаружения этих примесей по сравнению с аналогами.
Технический результат - повышение точности обнаружения нефтепродуктов в воде, упрощении конструкции, а также расширение арсенала средств для обнаружения нефтепродуктов в воде.
Технический результат достигается за счет заявляемой конструкции фотометрического устройства обнаружения нефтепродуктов в воде, содержащего корпус, внутри которого расположены Т-образная перегородка, разделяющая между собой зону УФ-излучения и зону фотофиксации, в зоне УФ-излучения последовательно расположены на одной оптической оси источник немонохроматического ультрафиолетового излучения, собирающая линза, первый светофильтр, формирующий световой поток с длиной волны преимущественно 190-260 нм, в зоне фотофиксации на одной оптической оси последовательно расположены второй светофильтр, формирующий световой  поток с длиной волны преимущественно 320-400 нм, увеличительная линза, затвор, фотоприемник, при этом фотоприемник, затвор и источник УФ-излучения соединены с блоком управления, а проточная ячейка установлена таким образом, чтобы фокус собирающей линзы совпадал с фокусом  увеличительной линзы и был расположен в объеме  анализируемой жидкости.
Проточная ячейка может быть выполнена съемной в форме параллелепипеда или цилиндра.
4
-1
-4
Для сохранения высокой точности обнаружения примесей нефтепродуктов в воде предлагается использовать ультрафиолетовое излучение спектрального диапазона 190-600 нм. В этом диапазоне исключительно интенсивно проявляется поглощение света на π-π* и π-σ* разрешенных электронных переходах углеводородных молекул. Коэффициент поглощения на длинах волн около 200 нм для широко распространенных нефтепродуктов, типа бензола и изооктана, составляет (6÷10)⋅10 см. Такие абсорбционные свойства молекул углеводородов позволяют в реальном режиме времени обнаруживать их следовые концентрации (до 1 мг/литр воды, 10%) в воде.
Способ обработки полученных данных фотофиксации облученной УФ-излучением анализируемой жидкости и их последующий анализ на обнаружение нефтепродуктов основан на эффекте флуоресценции. Данный эффект присущ веществам, входящим в состав нефтепродуктов.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена оптическая схема фотометрического устройства, на которой 1 - источник излучения, 2 - собирающая линза; 3 - затвор; 4 - первый светофильтр с пропусканием длин волн 190-260 нм; 5 - точка фокусировки световых потоков УФ-излучения и люминесценции; 6 - второй светофильтр с пропусканием длин волн 320-400 нм; 7 - увеличительная линза; 8 - фотоприемник; 9 - проточная ячейка; 10 - блок управления, 11 - Т-образная перегородка.
На фиг. 2 представлена фотография анализируемой жидкости (воды), облученной коротковолновым УФ-излучением с помощью заявляемого устройства, на фиг. 3 - фотография обнаруженных нефтепродуктов (выделенные окружности синего цвета с зеленым контуром), обработанная с помощью заявляемого устройства.
Фотометрическое устройство обнаружения нефтепродуктов в воде содержит корпус (на чертеже показан пунктиром), внутри которого расположена Т-образная перегородка 11, разделяющая между собой зону УФ-излучения и зону фотофиксации. Предпочтительно, чтобы торец Т-образной перегородки 11 примыкал к краям первого 4 и второго 6 светофильтров, предотвращая, таким образом, возможное попадание УФ-излучения на фотоприемник 8, в результате чего могут возникнуть «шумы» при фотофиксации. В зоне УФ-излучения последовательно расположены на одной оптической оси широкополосный источник зондирующего УФ-излучения 1, собирающая линза 2 для светового потока УФ-излучения, первый светофильтр 4, формирующий световой поток  УФ-излучения с длиной волны 190-260 нм. С помощью собирающей линзы 2 световой поток  УФ-излучения фокусируется в объеме анализируемой жидкости, содержащейся в проточной ячейке 9, в точке фокусировки 5.
Под воздействием коротковолнового ультрафиолетового излучения с длиной волны 190 - 260 нм молекулы нефтепродуктов, содержащиеся в анализируемой жидкости, начинают люминесцировать и испускать световой  поток с длиной волны преимущественно от 320 до 480 нм. Испускаемый световой  поток люминесценции, расходящийся во все стороны,  с длиной волны преимущественно от 320 до 480 нм проходит через второй светофильтр 6, формирующий световой поток  с длиной волны 340-400 нм.
Благодаря расположению фокуса увеличительной линзы 7 в точке 5 лучи светового потока люминесценции, проходящие параллельно ее главной оптической оси, будут собираться в сходящийся пучок, который будет целенаправленно попадать в фотообъектив фотоприемника 8.
Перед фотоприемником 8 расположен затвор 3. С помощью блока управления 10 осуществляют управление источником УФ-излучения 1, фотоприемником 8 и опускают/поднимают затвор 3 при необходимости. Второй светофильтр 6, увеличительная линза 7, фотоприемник 8 с установленным перед ним затвором 3 расположены на одной оптической оси в зоне фотофиксации.
С помощью фотоприемника 8 осуществляют фотофиксацию люминесцентного излучения, испускаемого частицами нефтепродуктов, содержащимися в анализируемой жидкости.
Полученный фотоснимок в цифровой форме передается с фотоприемника 8 на блок управления 10, затем на внешний контроллер (на чертеже не показан) и на вход в ЭВМ (на чертеже не показана), где с помощью соответствующего программного обеспечения, разработанного автором, обрабатывается по определенному алгоритму. Результатом обработки полученных фотоснимков являются фотоснимки с выделенными контурами частиц нефтепродуктов, содержащихся в анализируемой жидкости (фиг. 2, 3).
Проточная ячейка 9 выполнена с соосными отверстиями, расположенными на противоположных стенках и через которые происходит ее заполнение анализируемой жидкостью. Проточная ячейка 9 установлена таким образом, чтобы фокус собирающей линзы 2 совпадал с фокусом  увеличительной линзы 7 и был расположен в объеме анализируемой жидкости в точке 5.
Взаимное расположение оптических путей УФ-излучения и потока люминесценции обусловлено необходимостью прохождения люминесцентного излучения на увеличительную линзу 7, фокусирующую направленный пучок лучей, попадающих на фотоприемник 8.
Применение первого  светофильтра 4 обусловлено необходимостью выборки из светового потока, генерируемого источником УФ-излучения 1, определенных длин волн коротковолнового ультрафиолетового излучения 190 - 260 нм, воздействующего на эмульсированные частицы нефтепродуктов, а второго  светофильтра 6 - более точной выборки волн люминесцентного излучения, возникающего после поглощения частицами нефтепродуктов энергии возбуждения, падающего на них УФ-излучения.
Собирающая линза 2, расположенная на одной оптической оси с источником УФ-излучения, необходима для концентрации светового потока на определенной площади - точке фокусировки 5. Увеличительная линза 7, расположенная на оптической оси с фотоприемником 8, необходима для фокусировки излучаемого частицами нефтепродуктов светового потока люминесценции на фотоприемнике 8.
Светофильтры 4 и 6 могут быть изготовлены из ультрафиолетового стекла.  Линзы 2 и 7 могут быть выполнены из кварцевого стекла. Между зонами направляемого потока УФ-излучения и создаваемого потока люминесценции расположена Т-образная перегородка 11, которая препятствует попаданию УФ-лучей на фотоприемник 8. Т-образная перегородка 11 может быть выполнена из химически стойкого к воздействию веществ, содержащихся в анализируемой жидкости, и прозрачного в УФ-излучении материала, например, из нержавеющей стали или из поливинилденфторида.
Фотометрическое устройство обнаружения нефтепродуктов в воде работает следующим образом.
Фотометрическое устройство полностью или частично (до уровня расположения первого и второго светофильтров 4 и 6) погружают в  анализируемую жидкость, чтобы  поток УФ-излучения проходил через объем жидкости, а не находился на границе раздела фаз (воды и воздуха), что в свою очередь может привести к отражению лучей УФ-излучения от поверхности воды.
Проточная ячейка 9 может быть выполнена съемной и присоединяться к корпусу устройства, например, посредством резьбового соединения.  Выполнение проточной ячейки 9 съемной является предпочтительным, поскольку периодически необходимо осуществлять ее очистку от различных загрязнений, находящихся в воде и оседающих на ее стенках. Проточная ячейка 9 может быть выполнена в форме параллелепипеда или цилиндра, верхняя стенка которого выполнена с отверстием для прохождения УФ-излучения и соединена с корпусом устройства, а две боковые противоположные стенки ячейки выполнены с соосными отверстиями для заполнения анализируемой жидкостью или прохождения потока анализируемой жидкости.
Заявляемое устройство может быть использовано как для анализа стоячей воды, так и для анализа потока воды. Фотометрическое устройство может быть установлено на выходе сливного трубопровода для сточных вод, перед резервуарами, колодцами для слива сточных вод с помощью соответствующих переходных элементов, например, фланцев и тройников.
Кроме этого, заявляемое устройство может быть расположено на открытой водной поверхности при помощи средств, обеспечивающих плавучесть устройству.
Проточная ячейка 9 и корпус устройства выполнены из материала, стойкого к воздействию сточных вод, например, из нержавеющей стали.
После установки устройства на выход трубопровода для вывода сточных вод с помощью блока управления 10 включают источник УФ-излучения 1 (например, ксеноновую лампу), который генерирует в импульсном режиме немонохроматическое излучение в ультрафиолетовой области спектра. УФ-излучение направляют на анализируемую жидкость сверху таким образом, чтобы УФ-излучение проходило через отверстие на верхней стенке ячейки 9, а не через ее стенки. С помощью собирающей линзы 2, установленной между источником УФ-излучения 1 и первым светофильтром 4,  поток излучения направляют через первый светофильтр 4. Первый светофильтр 4, расположенный между проточной ячейкой 9 и источником УФ-излучения 1, пропускает из создаваемого светового потока излучение с длиной волны в диапазоне 190-260 нм. На выходе из первого светофильтра 4 формируется световой поток с длиной волны преимущественно 190-260 нм и фокусируется с помощью собирающей линзы 2 в точке фокусировки 5 в объеме анализируемой жидкости в проточной ячейке 9. Затем возбуждаемый частицами нефтепродуктов, содержащихся в анализируемой жидкости, световой  поток люминесценции проходит через второй светофильтр 6, пропускающий излучение с длиной волны 340-400 нм, и фокусируется с помощью увеличительной линзы 7 в области фокуса фотоприемника 8.
С помощью блока управления 10 затвор 3 поднимают/опускают в момент попадания светового потока люминесценции на фотоприемник 8 и осуществляют фотофиксацию облученной жидкости.
Полученный результат в цифровом виде передается с фотоприемника 8 на блок управления 10, затем на внешний контроллер (на чертеже не показан) и на вход в ЭВМ (на чертеже не показана), где с помощью соответствующего программного обеспечения, разработанного автором, обрабатывается по определенному алгоритму. Результатом обработки полученных фотоснимков являются фотоснимки с выделенными контурами частицам нефтепродуктов, содержащихся в анализируемой жидкости (фиг. 2, 3).
Анализ и обработка полученных с помощью заявляемого фотометрического устройства снимков осуществляется по следующему алгоритму.
1. Предварительная обработка изображения (сглаживание областей изображения с сохранением их края) при помощи алгоритма Дугласа-Пекера.
2. Для семейства точек полученного контура частиц нефтепродуктов определяют максимально удаленные точки, и через них описывается минимальный охватывающий круглый контур, в результате чего формируется массив центров объектов и их радиусов.
3. После чего осуществляют поиск замкнутых контуров на исходном изображении.
4. Затем осуществляют фильтрацию вложенных контуров. Производится заполнение всех замкнутых контуров и границ контуров однородным контрастным цветом. Далее производится повторный поиск замкнутых контуров на полученном изображении. В результате получается матрица контуров объектов, не содержащая внутри себя других контуров. Внутренние контуры исключаются.
5. В результате полученной матрицы контуров частиц нефтепродуктов осуществляется подсчет количества найденных и описанных контуров и отношения их суммарной площади ко всей площади изображения.
С помощью специально разработанного автором программного обеспечения выделяется контур частиц обнаруженных нефтепродуктов, находящихся в состоянии эмульсии и осуществляется расчет их концентрации по отношению к объему анализируемой жидкости, проходящей через проточную ячейку 9.
Числовые значения рядом с выделенными контурами частиц обнаруженных нефтепродуктов на фиг. 3 - это присваиваемые программой порядковые номера контуров, которые были обнаружены в результате обработки полученных фотоснимков. При малых концентрациях чувствительность и эффективность работы фотометрического устройства сохраняется при соблюдении условия: нефтепродукты находятся в эмульсированном виде (капельки). Фотометрическое устройство способно детектировать минимально возможные частички нефтепродуктов размером >0,5 мкм.
Заявляемое фотометрическое устройство было протестировано с помощью стандартного государственного образца ГСО Нефтепродукты в водорастворимой матрице, ГСО 8646-2005, 0,005 мг/см³, ампула 12 мл (производитель ЭКРОСХИМ).Содержимое ГСО 8646-2005 растворили в 1 л чистой воды, после чего фотометрическое устройство поместили в полученный раствор таким образом, чтобы расположение светофильтров 4 и 6 было ниже уровня воды с растворенными нефтепродуктами. После чего с помощью блока управления включали источник УФ-излучения и осуществляли фотофиксацию облученной жидкости.
На фиг. 2 представлена фотография анализируемой жидкости с выделенными обнаруженными частицами нефтепродуктов синего цвета. На фиг. 3 представлена фотография обнаруженных частиц нефтепродуктов (выделенные окружности синего цвета с зеленым контуром), обработанная с помощью соответствующего программного обеспечения, разработанного автором. Полученные результаты исследования подтверждают работоспособность и промышленную применимость заявляемого устройства.