Устройство для контроля степени чистоты воды

Полезная модель относится к экологии, биотехнологии и измерительной технике, в частности к устройствам для исследования качества воды, и может применяться для контроля степени чистоты воды.
Вода является одним из наиболее распространенных реагентов, используемых в современных технологических, биотехнологических и лабораторных процессах, при этом во многих случаях требуется особо очищенная вода. Поэтому в настоящее время существует потребность в осуществлении контроля качества воды и степени ее чистоты.
Известны сенсоры для обнаружения различных загрязнений в воде, которые основаны на измерении электрического сигнала при их погружении в пробу воды (Rhoades, J.D. (1996). Salinity: Electrical conductivity and total dissolved solids. Methods of soil analysis: Part 3 chemical methods, 5, 417-435). Недостатком таких сенсоров является низкая чувствительность при малой концентрации примесей, а также то, что они чувствительно только к примеси, меняющей при растворении электропроводность воды.
Известно устройство для оценки чистоты воды (CN 202735253 «Laser source water quality monitoring system based on Internet of things», МПК G01N 21/49, опубл. 2013-02-13), которое контролирует мутность воды по уровню рассеяния оптического сигнала. Недостатком известного устройства является низкая чувствительность при малой концентрации примесей, когда уровень рассеянного сигнала незначителен.
Этих недостатков лишено устройство (Lacapmesure, А.М., Martínez, О.Е., & Kunik, D. (2020). Device for real-time monitoring of oil-in-water and suspended solids based on thermal lens spectrometry and light scattering. Applied Optics, 59(13), D138-D147), выбранное в качестве прототипа.
Устройство состоит из основного лазера, лазера пробного луча, оптической системы, прозрачной кюветы с измеряемой жидкостью и фотодетектора. В качестве основного лазера использовался Nd:YAG лазер с длиной волны 532 нм, мощностью 100 мВт. В качестве лазера пробного луча использовался лазер с длиной волны 780 нм, мощностью 500 мкВт и гауссовым распределением интенсивности в пучке. Известное устройство позволяет измерять наличие примесей в воде с концентрацией от 100 ppm.
Принцип работы известного устройства состоит в следующем. С помощью оптической системы лучи основного лазера и лазера пробного луча соосно направляются на стенку прозрачной кюветы с пробой воды, а прошедшие кювету пробные лучи поступают на фотодетектор. В зависимости от степени чистоты жидкости, находящейся в прозрачной кювете, в ней в результате поглощения излучения основного лазера создается тепловая линза, изменяющая показатель преломления воды. Пробные лучи, проходя через эту тепловую линзу, расфокусируются из-за появления уменьшенного по сравнению с окружающей жидкостью показателя преломления. В результате этой расфокусировки напряжение на выходе фотодетектора уменьшается. По степени уменьшения сигнала с фотодетектора судят о степени чистоты жидкости в ячейке.
Основными недостатками известного устройства являются его сложность и необходимость использования прозрачной кюветы, что не позволяет проводить измерение чистоты воды путем погружения датчика в пробу воды, что удобно и часто необходимо для практических целей.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание конструктивно простого устройства для оценки чистоты воды с высокой чувствительностью, позволяющего проводить оперативное измерение чистоты воды путем погружения датчика в пробу воды.
Техническим результатом является создание простого и надежного устройства для контроля степени чистоты воды.
Поставленная техническая задача достигается в результате того, что в устройстве контроля степени чистоты воды, содержащем лазер и кювету с контролируемой водой, лазер через оптическое волокно подключен к полости кюветы, в которой размещен гидрофон, соединенный через широкополосный усилитель с индикатором степени чистоты воды. Концевая часть оптического волокна и гидрофон конструктивно объединены, образуя датчик устройства.
Существо полезной модели поясняется на фигурах.
Фиг. 1 - схема устройства.
0
1
2
Фиг. 2 - графики акустического сигнала, зарегистрированного в течение 5 с при использовании дистиллированной воды высокой очистки с концентрацией примеси С=0 - график «а», C=50 ppm (50 мг NaCl на литр) - график «б» и С=100 ppm (100 мг NaCl на литр) - график «в».
Устройство содержит лазер 1, оптическое волокно 2, гидрофон 3, широкополосный усилитель 4, индикатор 5. Концевая часть оптического волокна и гидрофон 6 конструктивно объединены, образуя датчик, который погружают в контролируемую воду 6, налитую в кювету 7.
Устройство работает следующим образом. Излучение непрерывного лазера 1 с помощью волокна 2 заводится в пробу воды 6, находящуюся в кювете 7. В результате поглощения лазерной энергии небольшой объем воды вблизи торца нагревается до температуры Т, превышающей температуру кипения. При достижении определенного значения температуры в указанном объеме происходит взрывное кипение воды (Юсупов В.И. Образование сверхкритической воды под воздействием лазерного излучения // СКФ-ТП. 2019. Т. 14. №1. С. 71-83). В результате этого образуется расширяющийся пузырек, который, после достижения своего максимального размера, схлопывается. Эти процессы, как хорошо известно, сопровождаются генерацией широкополосного звука (Юсупов В.И., Коновалов А.Н., Ульянов В.А., Баграташвили В.Н. «Генерация акустических волн непрерывным волоконным лазерным излучением в воде // Акустический журнал. 2016. Т. 62. №5. С. 531-539).
Акустический сигнал регистрируется гидрофоном 3 и, после усиления широкополосным усилителем 4 поступает на детектор с индикатором 5. Индикатор показывает уровень акустического сигнала, который пропорционален чистоте воды.
Таким образом, создание устройства для оценки чистоты воды с высокой чувствительностью, позволяющего проводить оперативное измерение чистоты воды путем погружения датчика в пробу воды, осуществляется за счет того, что в устройстве для контроля степни чистоты воды используется не уровень интенсивности прошедшего через пробу воды пробного излучения, как в аналоге, а уровень возникающего акустического сигнала.
В отличие от прототипа предлагаемое устройство основано не на эффекте расфокусировки пробного луча тепловой линзой, а на использовании преобразования оптического излучения в акустическое, что не требует проведения измерений на просвет и позволяет обойтись без прозрачной кюветы.
Конкретное оформление заявляемого устройства, а именно лазер, волокно, гидрофон, широкополосный усилитель, детектор с индикатором и кювета могут быть стандартными. В качестве детектора может быть использован детектор с открытым входом на базе однополупериодного выпрямителя. Для эффективной работы устройства необходимо, чтобы длина волны лазерного излучения хорошо поглощалась в воде. Мощность лазерного излучения, диаметр волокна, частотный диапазон регистрируемых акустических сигналов и постоянная времени детектора зависят от поставленной задачи.
Автором был изготовлен образец устройства для контроля степени чистоты воды. Использовался непрерывный лазер (ИРЭ-Полюс, РФ) с длиной волны λ=1.56 мкм мощностью 1.5 Вт, состыкованный с кварцевым волокном с диаметром светопроводящей жилы 400 мкм. В качестве гидрофона использовался широкополосный гидрофон 8103 (Брюль и Къер, Дания). Постоянная времени детектора составляла 30 с.
0
0
1
1
2
2
0
1
2
0
1
2
При рассмотрении графиков на фиг. 2 видно, что в случае использования самой чистой воды (С=0) регистрируется сигнал с максимальной амплитудой V. По мере увеличения уровня загрязнения амплитуда этого максимального сигнала монотонно уменьшается до V (при концентрации С) и далее до V (при концентрации С). Поскольку уровень сигнала на выходе детектора определяется уровнем максимального сигнала за промежуток времени, равный постоянной времени детектора, индикатор устройства покажет значения V, V и V для концентраций примеси С=0, C=50 ppm и С=100 ppm соответственно.
0
кр
кр
0
Продемонстрированный экспериментально (фиг. 2) эффект уменьшения амплитуды зарегистрированного акустического сигнала с увеличением уровня загрязнения воды можно легко объяснить, исходя из физики процесса. При нагреве воды лазерным излучением нагреваемый объем на фазовой диаграмме воды переходит в так называемую метастабильную область (Skripov, V.P.; Sinitsyn, E.N.; Pavlov, P.A.; Ermakov, G.V., Muratov, G.N.; Bulanov, N.V.; Baidakov, V.G. Thermophysical properties of liquids in the metastable (superheated) state; Gordon and Breach Science Publishers: New York, 1988), в которой температура T больше температуры кипения Т при данном давлении. При достижении некоторой критической температуры Т из-за возникших флуктуаций происходит взрывное кипение. При этом часть объема перегретой воды переходит в сжатый до высоких давлений пар с образованием быстро расширяющегося парогазового пузырька. Достигнув своего максимального размера этот пузырек схлопывается. Энергия возникающего при этом звука зависит от величины запасенной энергии. Чем вода чище, тем величина перегрева Т-Т и величина запасенной энергии больше. Соответственно, будет больше и амплитуда генерируемого акустического сигнала. При увеличении концентрации примеси взрывное кипение будет происходить при все более низких значениях перегрева. В результате будет образовываться пузырьки меньшего размера, и амплитуды акустических сигналов будут последовательно уменьшаться.
Для практического использования предлагаемое устройство должно быть предварительно откалибровано путем построения зависимости амплитуды акустических сигналов на выходе детектора с индикатором от концентрации исследуемой примеси. Во время контроля или измерений по экспериментально определенным значениям амплитуд акустического сигнала и калибровочной кривой определяется искомая концентрация примеси. В предложенном устройстве часть волокна и гидрофон могут быть вмонтированы в единый корпус датчика.
Автором были проведены подобные испытания устройства с использованием лазеров с другими длинами волн, также хорошо поглощающихся в воде: 1.47 и 1.94 мкм, которые также показали высокую чувствительность к примесям.
Созданное устройство для контроля степени чистоты воды обладает хорошей чувствительностью, позволяет проводить оперативное измерение чистоты воды путем погружения торца волокна и гидрофона (датчика) в пробу воды и может быть промышленно применено.