МОРСКОЙ ТУРБИДИМЕТР
SEA TURBIDIMETRE

Морские турбидиметры предназначены для измерения мутности морской воды in situ оптическим методом по величине поглощения и рассеяния света на взвешенных твердых частицах. Для обеспечения единства измерений и сопоставимости результатов технические характеристики мутнометров регламентируются международным стандартом ISO 7027. В этом стандарте рекомендуется использовать в качестве излучателя света инфракрасные диоды с длиной волны 860 нм и шириной спектральной линии 60 нм. Измерения рекомендуется проводить при длине базы не более 10 см. При этом рассеяние света измеряется фотодетектором, направленным под 90° к направлению излучения (нефелометр). При выполнении требований данного стандарта измерители мутности обеспечивают нечувствительность к окраске контролируемых растворов и устойчивость к помехам от посторонней засветки дневным светом. Однако настоящий стандарт не вполне отвечает современным требованиям научных исследований и инженерных морских изысканий. Согласно этим требованиям необходимо измерять не просто мутность воды, но природу и размер рассеянных в воде частиц, вызывающих эту мутность.
Известны конструкции турбидиметров, содержащие излучатель и соосно расположенный фотоприемник, удаленный от излучателя на расстояние оптической базы (1-3). В этих конструкциях мутность растворов измеряется по поглощению света в прямом направлении без учета рассеяния в других направлениях. Недостатком таких приборов является низкая чувствительность к малым значениям мутности, не позволяющая их использование для анализа относительно чистой воды. Низкая чувствительность обусловлена шумами фотодетектора, влиянием возможных загрязнений оптики и изменчивостью характеристик излучателя и фотоприемника во времени. Известны также турбидиметры (4-6), измеряющие одновременно поглощение света прямого луча и рассеянного света под углом 90°, используя два приемных фотодетектора. Изменчивость характеристик и загрязнения оптики в этих приборах частично учитывается и компенсируется применением компенсационного оптического канала в виде опорной ячейки. Эти приборы имеют более высокую точность измерений и охватывают диапазон малых значений мутности за счет учета рассеяния света под углом 90°. Недостатком таких приборов является ограниченный диапазон измерений больших мутностей воды, при которых как прямой, так и рассеянный луч оказываются ослабленными ниже порога чувствительности.
Известны также измерители поглощения света в морской воде in situ и одновременно измеряющие средний размер взвешенных в воде частиц (7). Для измерения размера частиц используется свойство оптических лучей, согласно которому мелкие частицы (по отношению к длине световой волны) рассеивают свет под большими углами, чем крупные частицы (закон Ми). В качестве излучателя используется красный лазер, а в качестве приемников прямого и рассеянного луча - три кремниевых фотодиода. Поглощение прямого луча измеряется центральным фотодиодом точечной формы, а угловые рассеяния луча воспринимаются и оцениваются двумя боковыми диодами плоской полукруглой формы. Чувствительная зона полукруглых диодов имеет форму клина, расширяющегося в первом диоде от центра к периферии, а во втором, наоборот, - от периферии к центру. Рассеянный лазерный луч частицами определенного размера имеет форму кольцевого ореола, радиус которого обратно пропорционален размеру частиц. Ореол падает на поверхность двух плоских фотодиодов и вызывает в них выходной сигнал, пропорциональный площадям перекрытия их чувствительных зон. Из-за противоположной клиновидности формы чувствительных зон один из диодов дает большой сигнал, чем другой в зависимости от радиуса рассеяния луча. Чем меньше радиус ореола, тем крупнее частицы, и наоборот.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению по совокупности признаков является прибор из семейства лабораторных турбидиметров НАСН, модель 2100 NA (8, 9). Согласно описанию этот прибор содержит корпус и расположенные в нем электронный блок управления, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор для вычисления результата измерений мутности растворов. Снаружи корпуса расположены оптические датчики, в состав которых входит один излучатель и группа из четырех приемных фотодетекторов. В основе работы турбидиметров модели 2100 NA лежит принцип пропорциональной зависимости между количеством рассеянного света и количеством взвешенных частиц в веществе. Поглощение света в среде измеряется фотодетектором, установленным непосредственно в створе луча и не имеющим углового сдвига. Три других фотодетектора измеряют свет, рассеянный под углами 30°, 90° и 138° относительно направления излучения. Мутность раствора воды в международных единицах NTU рассчитывают с помощью микропроцессора по соотношению уровней сигналов всех четырех фотоприемников. Для расчета используется специальный алгоритм "Four Point Ratio Turbidity" и соответствующая алгоритму формула, в которую входят величины измеренных токов четырех фотодетекторов и их градуировочные коэффициенты. Среди всех других типов турбидиметры НАСН отличаются наиболее высокой точностью измерений, широким диапазоном и линейностью характеристики преобразования, которые достигаются благодаря применению четырех фотоприемников (вместо двух в аналогах) и специального алгоритма Ratio (отношение). В этом алгоритме учитываются не абсолютные значения измеренных величин, а только их отношение, что позволяет исключить погрешности, обусловленные загрязнением оптики и нестабильностью характеристик излучателя.
Недостатком прототипа является ограниченность функциональных возможностей, что не позволяет, помимо мутности, измерять также размер взвешенных в воде твердых частиц.
Техническая задача изобретения заключается в расширении функциональных возможностей устройства без ухудшения качественных показателей прототипа. Требуется создать турбидиметр, который бы позволял измерять не только мутность воды с повышенной точностью и надежностью, но одновременно средний размер взвешенных твердых частиц, вызывающих поглощение и рассеяние света. Технический результат изобретения достигается в устройстве со следующей совокупностью признаков.
Морской турбидиметр для измерения мутности и среднего размера взвешенных в воде частиц, содержащий герметичный цилиндрический корпус и размещенные на его крышке по окружности оптический излучатель и четыре или более приемных фотодетектора, удаленные от излучателя на расстояние оптической базы, из них первый фотодетектор установлен с нулевым сдвигом относительно направления излучения и воспринимает только прямой луч, другие фотодетекторы установлены под различными углами и воспринимают рассеянный свет, а внутри корпуса расположены электронный модуль, управляющий током излучателя, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, преобразующий сигналы фотодетекторов в цифровую форму, стабилизированный источник питания и микропроцессор, вычисляющий мутность воды и средний размер взвешенных частиц, отличающийся тем, что излучатель выполнен из двух светодиодов с различными длинами волн в пределах области чувствительности приемных фотодетекторов, а электронный модуль управления построен в виде следящей системы на основе операционного усилителя, при этом на прямой вход операционного усилителя подано опорное напряжение от стабилизированного источника питания через резистивный делитель, на инвертирующий вход операционного усилителя заведена цепь обратной связи первого фотодетектора, выход операционного усилителя через коммутатор подключен к двум излучающим светодиодам, вторые концы светодиодов подключены нагрузочному резистору и первому входу многоканального аналого-цифрового преобразователя, второй вывод нагрузочного резистора заземлен на корпус, общая шина приемных фотодетекторов соединена с шиной питания стабилизированного источника, а выводы фотодетекторов подключены к другим входам аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом микропроцессора, выход которого линией связи подключается к компьютеру для считывания данных из памяти, при этом следящая система по току первого фотодиода действует так, что ток излучающих фотодиодов автоматически устанавливается на уровне, поддерживающем заданный уровень выходного сигнала первого фотодетектора независимо от мутности, мутность воды рассчитывается микропроцессором по величине тока излучателя и соотношению сигналов приемных фотодетекторов, а средний размер частиц вычисляется по приращениям уровней сигналов приемных фотодетекторов, измеренных на двух различных длинах волн, которые поочередно излучаются двумя светодиодами.
Заявленное устройство сохраняет положительные качества прототипа в части точности измерений мутности воды, но благодаря отличительным признакам позволяет получить два преимущества. Первое преимущество заключается в расширении диапазона измерения в сторону больших значений мутности за счет того, что ток излучающего светодиода сделан регулируемым при постоянстве уровня сигнала прямого фотодетектора независимо от мутности. При номинальном значении тока излучателя 5 mA для относительно прозрачной воды этот ток может увеличиваться до 100 mA для предельно большой мутности, расширяя тем самым диапазон измерения в 20 раз. В таком режиме работы излучателя достигается значительная экономия энергопотребления питающей батареи, поскольку в среднем мутность воды имеет низкое значение.
Второе преимущество заключается в расширении функциональных возможностей устройства, измеряющего не только мутность, но также средние размеры взвешенных в воде частиц. Это преимущество достигается путем использования известного свойства светового луча, согласно которому на более длинных волнах диаграмма углового рассеяния света на взвешенных частицах расширяется и становится более округлой. На меньшей длине волны угловая диаграмма направленности наоборот обостряется и становится более вытянутой в направлении излучения. Выполняя измерения на двух различных длинах волн, получают две диаграммы направленности, а их разность в фиксированных по углу точках, в которых расположены приемные фотодетекторы, позволяет рассчитать средний размер взвешенных частиц.
На чертеже представлена функциональная блок-схема турбидиметра. В состав схемы входят направленный излучатель, состоящий из светодиодов 1 и 2 с нагрузочным резистором 3, и четыре или более приемных фотодетектора, из которых фотодетектор 4 образует цепь обратной связи, а остальные детекторы 5 улавливают рассеянный свет. Электронный блок управления 6, управляющий током светодиодов 1 и 2, многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, микропроцессор с блоком памяти 8 и стабилизированный источник питания 9. Электронный блок управления 6 состоит из операционного усилителя 10, выходного коммутатора 11 и цепи обратной связи, заведенной от первого из группы приемного фотодетектора 4, на инвертирующий вход операционного усилителя 10. На прямой вход операционного усилителя 10 подано опорное напряжение от стабилизированного источника через резистивный делитель 12. Коммутатор 11 управляется по шине от микропроцессора 8. На общую шину приемных фотодетекторов 5 подано питание от стабилизированного источника 9. На первый из входов АЦП подан сигнал с нагрузочного резистора 3, а на другие его входы заведены сигналы с приемных фотодетекторов 5. Выход АЦП подключен на вход микропроцессора с блоком памяти, а выход микропроцессора по линии связи подключается к компьютеру при считывании данных из памяти.
Работа устройства происходит в следующей последовательности. После включения питания от стабилизированного источника 9 по команде микропроцессора 8 включается светодиод 1 и излучается прямой луч на первой длине волны (860 нм) в направлении первого фотодетектора 4 и рассеянный частицами свет в направлении других фотодетекторов 5. Ток излучающего светодиода 1 под действием цепи обратной связи автоматически устанавливается на таком уровне, чтобы первый из приемных фотодетекторов 4 выдал определенный фиксированный сигнал, равный опорному напряжению на прямом входе операционного усилителя. При этом ток излучающего светодиода 1 создает на нагрузочном резисторе 3 определенное напряжение, прямо пропорциональное поглощению света в воде, которое преобразуется в цифровую форму на первом входе АЦП. Другие приемные фотодетекторы выдают свои сигналы на входы АЦП, пропорциональные уровню рассеянного света под различными углами к направлению излучения. АЦП преобразует входные сигналы в цифровую форму и передает их в микропроцессор для обработки. Микропроцессор запоминает уровни сигналов в блоке памяти и затем рассчитывает мутность воды, используя алгоритм соотношения измеренных сигналов, не опираясь на их абсолютные значения. Такой алгоритм обеспечивает высокую точность измерения, исключая зависимость от загрязнения оптики. На этом первый цикл работы устройства заканчивается.
На втором цикле все операции повторяются при включении коммутатором 11 светодиода 2 на второй длине волны (920 нм). В итоге двух циклов измерения получают два вычисленных значения мутности воды и две угловых диаграммы рассеяния света на частицах взвеси. Результирующую мутность принимают как среднее значение из двух измерений, а разность между первым и вторым отсчетом на разной длине волны дает оценку случайной составляющей погрешности измерения. Полученные расчетом значения мутности и оценку погрешности записывают в блок памяти микропроцессора.
Затем рассчитываются разности фиксированных значений угловых диаграмм рассеяния в точках размещения приемных фотодетекторов. По разностям токов в четырех или более точках вычисляют средний размер рассеянных частиц, используя эмпирический алгоритм, основанный на результатах градуировки турбидиметра по эталонным суспензиям.
Данные считываются в компьютер из блока памяти после подъема прибора на поверхность.
Испытания опытного образца турбидиметра подтвердили ожидаемые технические характеристики. Точность измерения мутности воды в диапазоне от 0,1 до 10000 единиц NTU (разбитого на 3 поддиапазона) составила 5% от измеряемой величины. Погрешность измерения среднего размера взвешенных частиц природного грунта в диапазоне размеров от 50 до 500 нм не превысила 20%.
Литература
1. RU 2001127460, 27.08.2003, Турбидиметр для жидких и газообразных сред.
2. RU 2350930 C1, 27.03.2009, Фотоэлектрический анализатор.
3. RU 96121594 A, 20.01.1999, Морской турбидиметр.
4. RU 95109404 А1, 20.06.1997, Фотоэлектрический анализатор.
5. RU 2339934 С2, 27.12.2007, Способ измерения показателя ослабления направленного света и устройство для его осуществления.
6. RU 93001054 А, 27.01.1995, Автоматический фотоэлектрический анализатор.
7. US 6466318, 8.10.2002, Device for measuring particulate volume and mean size in water.
8. US 5506679, apr. 9/1996, Nephelometer instrument (прототип).
9. Теория и практика измерения мутности. Турбидиметрия и нефелометрия, стр.21 URL, www. ecoinstrument.ru