ФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ КОНЦЕНТРАТОМЕР ДЛЯ ЖИДКИХ ДИСПЕРСНЫХ СРЕД

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для непрерывного контроля качества воды, экологического мониторинга, измерения концентрации эмульсий и суспензий.
Фотоэлектрические устройства для измерения концентрации взвешенной фазы в жидких средах, как правило, представляют собой оптические устройства - турбидиметры или нефелометры [Андреев B.C., Попечителев Е.П. Лабораторные приборы для исследования жидких сред. - Л.: Машиностроение. - 1981. - С.99-101].
Недостатком многих из них является загрязнение прозрачных окон излучателей и приемников, непосредственно соприкасающихся с контролируемой средой, вследствие чего погрешности измерения становятся большими, либо вообще нарушается работоспособность прибора. Существуют различные способы минимизации влияния данного фактора, например: применение механических очистителей, применение разогрева стекол, нанесение специальных антиадгезионных покрытий и т.д. [Беляков В.Л. Автоматизация промысловой подготовки нефти и воды. - М.: Недра._1988. - С.133]. Все они сложны и неэффективны.
Радикальным средством повышения метрологической надежности таких концентратомеров является применение логометрического принципа измерений [Фетисов B.C., Валеев В.Т. Логометрический принцип построения поточных мутномеров // Экологические системы и приборы. - 2002. - №2. - С.6-7], согласно которому осуществляется переход от измерений абсолютных значений величин к измерениям их отношений, которые свободны от многих нестабильных составляющих (в частности, от степени загрязнения окон и нестабильности излучателя). Причем лучше,
если логометрический принцип реализуется с одной парой «излучатель-приемник» и вариацией т.н. параметра разделения [Беляков В.Л. Автоматический контроль параметров нефтяных эмульсий. - М.: Недра, 1992,, с.146], - т.е. такого параметра, два достаточно сильно различающиеся значения которого соответствуют различным сигналам приемника, которые можно включить в логометрическое отношение; например, в оптических концентратомерах на базе турбидиметров таким параметром разделения может быть расстояние между приемником и излучателем. Часто для реализации такого рода логометрических отношений вводят в конструкцию датчика подвижные элементы. Преимуществом такого рода реализации является использование одной и той же пары «излучатель-приемник» для формирования обоих сигналов; при этом на результат не влияют даже сильные загрязнения окон.
Устройством, наиболее близким к предлагаемому, является концентратомер [Патент США №4981362, опубл. 1 янв. 1991]. Он содержит заполненную контролируемой жидкой средой измерительную камеру, в которой смонтированы фотоприемник, направленный на него излучатель и расположенное между ними прозрачное подвижное окно, механически связанное с приводом, предназначенным для перемещения окна по направлению к фотоприемнику и обратно, деформируемый разделитель сред, герметично соединяющий подвижное окно со стенкой измерительной камеры таким образом, что излучатель находится в воздушной среде, а также схему управления и обработки сигналов, к выводам которой подключены соответствующие выводы излучателя, фотоприемника и привода. Приводом в этом устройстве является электромагнитный толкатель, а деформируемым разделителем сред - гибкая мембрана. Работа данного концентратомера сводится к измерению двух сигналов фотоприемника, соответствующих двум разным положениям подвижного окна, вычислению отношения этих сигналов и
нахождению искомой концентрации через это отношение, которое свободно от влияния загрязнения подвижного окна и фотоприемника. Такое устройство, однако, обладает тем недостатком, что диапазон перемещений подвижного окна весьма ограничен, и, как следствие, диапазон измерения концентрации также ограничен, а именно: устройство нормально работает в высококонцентрированных эмульсиях и суспензиях, но практически непригодно для измерения концентрации светлых жидкостей. Это объясняется тем, что сигналы фотоприемника, полученные в светлой жидкости для разных положений подвижного окна будут почти неотличимы друг от друга, и соответствующие логометрические отношения будут равны единице во всем диапазоне малых концентраций.
Задачей, решаемой в данной полезной модели, является расширение диапазона измерения концентрации за счет усовершенствования конструкции и алгоритма функционирования, позволяющих значительно расширить диапазон перемещения подвижного элемента и сделать этот диапазон адаптивно перестраиваемым.
Задача решается за счет того, что в известном фотометрическом концентратомере для жидких дисперсных сред, содержащем заполненную контролируемой жидкой средой измерительную камеру, в которой смонтированы фотоприемник, направленный на него излучатель и расположенное между ними прозрачное подвижное окно, механически связанное с приводом, предназначенным для перемещения окна по направлению к фотоприемнику и обратно, деформируемый разделитель сред, герметично соединяющий подвижное окно со стенкой измерительной камеры таким образом, что излучатель находится в воздушной среде, а также схему управления и обработки сигналов, к выводам которой подключены соответствующие выводы излучателя, фотоприемника и привода, имеются следующие отличительные особенности: механическая связь подвижного окна с приводом осуществляется
посредством штока, проходящего через направляющее устройство и имеющего большой диапазон возможных прямолинейных перемещений, рядом со штоком размещен датчик его продольных перемещений, выход которого соединен с соответствующим входом схемы управления и обработки сигнала, а деформируемый разделитель сред выполнен на основе сильфона.
На фиг.1 схематично показан предлагаемый концентратомер. Устройство содержит измерительную камеру 1, заполненную анализируемой жидкостью 2. В стенках камеры смонтированы фотоприемник 3 и излучатель 4. Подвижное окно 5 жестко связано со штоком 6, который может линейно перемещаться по направлению к фотоприемнику 3 и обратно через направляющее устройство 7 под действием привода 8. В непосредственной близости со штоком 6 размещен датчик перемещения 9. Сильфон 10 герметично соединен с подвижным окном 5 и стенкой измерительной камеры 1. Фотоприемник 3, излучатель 4, привод 8 и датчик перемещения 9 имеют соответствующие электрические связи со схемой управления и обработки сигналов 11.
1
Устройство работает следующим образом. В начале цикла работы по сигналу схемы управления и обработки сигналов 11 привод 8 выдвигает шток 6 через направляющее устройство 7 на максимально возможное расстояние, соответствующее минимальному зазору L между фотоприемником 3 и окном 5 (порядка 1-3 мм). Сильфон 10 при этом растягивается, но внутри него излучатель 4, а также подвижный шток 6 и направляющее устройство 7 всегда находятся в воздушной среде и надежно защищены от воздействия жидкой среды 2. Перемещение (положение) штока 6 определяется при помощи датчика перемещения 9, сигнал которого непрерывно подается в схему управления и обработки сигнала 11, где на основе анализа значения последнего происходит выработка управляющего сигнала для привода 8. Этот управляющий
1
1
сигнал, кроме нулевого значения, может иметь еще два значения (например, в виде положительной и отрицательной полярности напряжения), соответствующих выдвижению или втягиванию штока. При достижении положения окна L схема 11 останавливает привод и включает излучатель 4, коллимированный пучок света которого проходит через воздушный промежуток внутри сильфона, прозрачное окно 5 и анализируемую среду 2. При этом в воздухе рассеяния света практически не происходит. Рассеяние наблюдается только в жидкой среде со взвешенными в ней частицами. Поэтому сигнал U на выходе фотоприемника 3 зависит от концентрации согласно формуле:
где k - совокупный коэффициент прозрачности окна 5 и окна фотоприемника 3, зависящий от степени загрязнения;
0
I - яркость излучателя;
ε - коэффициент удельной экстинкции (поглощение на единичной толщине слоя жидкости);
С - искомая концентрация взвешенных частиц.
1
1
1
2
В схеме управления и обработки сигналов запоминаются значения U и L. После этого на привод 8 подается управляющий сигнал на втягивание штока 6. При этом расстояние между окном 5 и фотоприемником 3 увеличивается, а напряжение на выходе фотоприемника 3 вследствие большего рассеяния уменьшается. Когда сигнал на выходе фотоприемника 3 уменьшается примерно в три раза (это опытным путем установленное соотношение, при котором погрешности определения концентрации минимальны) относительно сигнала U, схема 11 вырабатывает сигнал останова привода 8. При этом толщина рассеивающего слоя жидкости равна L. Если жидкость очень прозрачная и изменения сигнала в три раза не достигается, то останов производится при крайнем нижнем (по фиг.1) положении окна 5. Затем производится
2
2
2
измерение и запоминание значений L (с помощью датчика перемещения 9) и U (на выходе фотоприемника 3). Сигнал U на выходе фотоприемника 3 в этом случае по аналогии с (1) связан с концентрацией следующей зависимостью:
Далее схема управления и обработки сигнала 11 производит выключение излучателя 4 и расчет искомой концентрации по формуле:
Коэффициент ε определяют опытным путем при градуировке устройства. Он является константой для определенного типа жидкостей.
Далее схема 11 осуществляет индикацию (запись, передачу) полученного значения концентрации и переходит к следующему циклу работы.
0
2
Как видно из формулы (3), результат не зависит от нестабильных составляющих k и I. А благодаря большому диапазону перемещений окна 5 и адаптивному алгоритму работы, при котором одно из положений окна (L) имеет не фиксированное значение, а выбирается в зависимости от концентрации, устройство имеет расширенный диапазон измерения концентрации при малых погрешностях ее определения.
Устройство может быть реализовано на основе различных относительно недорогих и доступных элементов. Фотоприемник 3 может быть реализован на основе фотодиода, например, типа ФД256. Излучатель 4 может быть реализован на основе красного или инфракрасного лазера, либо на основе светодиода с собирающей линзой. Привод 8 может быть выполнен на основе электродвигателя постоянного тока с редуктором, который снабжен винтовым преобразователем вращательного движения в
поступательное. Датчик перемещения 9 может быть любого типа, например, индуктивного, емкостного, резистивного, оптического и др. Схема управления и обработки сигналов 11 может быть реализована на основе программируемого микроконтроллера, например, фирм Atmel или MicroChip. Большинство их контроллеров кроме вычислительного ядра имеют встроенные аналого-цифровые преобразователи и память для хранения программ и данных. Сильфон 10 может быть металлическим или резиновым в зависимости от условий работы. Сильфоны различных типоразмеров также серийно выпускаются промышленностью.
Предлагаемое устройство выгодно отличается от прототипа гораздо более широким диапазоном измерения концентрации, в то время как погрешность определения концентрации остается достаточно малой во всех поддиапазонах.