ИЗМЕРИТЕЛЬ ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ ПОДВИЖНОЙ ЖИДКОЙ СРЕДЫ Российский патент 1997 года по МПК G01N21/85 

Изобретение предназначено для использования в различных отраслях народного хозяйства, в частности в области водоподготовки и теплоснабжения для непрерывного измерения оптической плотности подвижной жидкой среды, содержащей взвешенные вещества.

Известны устройства (спектрофотометры, калориметры), позволяющие измерять оптическую плотность жидкой среды по величине ослабления согласно закону Бугера интенсивности зондирующего излучения при его прохождении через жидкую среду и содержащие источник, приемник излучения, одну или две кюветы для исследуемой и образцовой жидкости и фотометр [1] Эти устройства предназначены для разовых измерений оптической плотности отдельных проб жидкости и не позволяют проводить непрерывное измерение для подвижной жидкой среды.

Наиболее близким к заявляемому устройству является промышленно выпускаемый измеритель оптической плотности жидкой среды мутномер типа АОМ-202 [2] Мутномер содержит источник инфракрасного зондирующего излучения, проточный оптрод (кювету), приемник измерительного (зондирующего) канала, приемник опорного канала, блок управления (включает генератор, синхронизатор и ключи) и совмещенный фотометр-вычислитель, состоящий из усилителей, ЦАП, АЦП, счетчика, логарифматора и ряда других электронных узлов. От источника излучение поступает по световоду в кювету, где по одному оптическому каналу зондирует исследуемую жидкость. После прохождения через слой жидкости зондирующее излучение поступает из кюветы по световоду на приемник. С приемника фотометрический сигнал, соответствующий интенсивности принятого излучения, поступает на фотометр-вычислитель, который производит необходимую обработку этого сигнала, а также сигнала от приемника опорного излучения. Блок управления синхронизирует работу отдельных узлов мутномера АОМ-202.

Непрерывно измеряя ослабление (в соответствии с законом Бугера) интенсивности зондирующего излучения после его прохождения через жидкую среду, АОМ-202 вычисляет текущее значение ее оптической плотности по формуле [2]
D= lg(1/τ) (1)
где D оптическая плотность жидкой среды;
τ коэффициент пропускания слоя исследуемой жидкой среды, который по своему определению [1] равен отношению интенсивности светового потока зондирующего излучения после его прохождения через слой исследуемого вещества к исходной интенсивности светового потока зондирующего излучения.

При этом в АОМ-202 с помощью канала опорного излучения производится компенсация влияния на величину D коэффициента пропускания оптической системы проточного оптрода, значение которого определяется при установке АОМ-202 на ноль.

Недостатком АОМ-202 является то, что в нем величина коэффициента пропускания оптической системы оптрода принята неизменной во времени с момента установки АОМ-202 на ноль перед началом работы. Однако в реальных условиях эксплуатации с течением времени взвешенные вещества, красящие пигменты и т. п. содержащиеся в подвижной жидкой среде, откладываются на непосредственно контактирующих с ней излучающей и приемной частях оптической системы проточного оптрода, снижая ее коэффициент пропускания. Таким образом, слой отложений ослабляет интенсивность зондирующего излучения, что вносит погрешность в измеренную величину оптической плотности жидкой среды. Погрешность тем больше, чем больше оптическая плотность слоя отложений. По достижении оптической плотностью слоя отложений величины, при которой интенсивность зондирующего излучения ослабляется до значения меньше порога чувствительности приемника излучения, АОМ-202 теряет свою работоспособность.

Целью настоящего изобретения является устранение погрешности непрерывного измерения оптической плотности жидкой среды, возникающей из-за отложения содержащихся в ней веществ на оптической системе измерителя и определение величины оптической плотности слоя отложений для своевременного их удаления.

Поставленная цель достигается тем, что в измеритель оптической плотности подвижной жидкой среды, содержащий источник зондирующего излучения, направляемого в проточную кювету и принимаемого из нее после прохождения через жидкость приемником с последующей обработкой фотометром и вычислителем, введен второй канал зондирующего излучения с отличной от первого канала оптической базой.

Оптическая плотность подвижной жидкой среды и слоя отложений вычисляется по результатам измерений величины ослабления интенсивности зондирующего излучения в каждом из каналов. Ослабление интенсивности зондирующего излучения при его прохождении через слой отложений описывается законом Бугера. Образование слоя отложений как на излучающей, так и на приемной частях каждой из оптических систем обоих каналов зондирующего излучения происходит практически равномерно, с одинаковой толщиной слоя, так как оптические системы обоих каналов расположены в проточном оптроде в непосредственной близости друг от друга, а также вследствие равномерного распределения загрязняющих веществ в потоке зондируемой жидкости. Поскольку толщина слоя загрязняющих отложений по сравнению с толщиной слоя (оптической базой) зондируемой жидкости пренебрежимо мала, то оптическая база измерителя практически является постоянной величиной.

Таким образом, математическое выражение закона Бугера [1] для определения общего ослабления интенсивности зондирующего излучения подвижной жидкой средой и слоями отложений на излучающей и приемной частях оптической системы каждого из каналов имеет следующий вид:

где Φ_o интенсивность зондирующего излучения на входах оптических систем каждого из каналов зондирования (одинаковая для обоих каналов);
Φ₁ интенсивность зондирующего излучения на выходе оптической системы первого канала;
Φ₂ интенсивность зондирующего излучения на выходе оптической системы второго канала;
epx основание натурального логарифма, число e, возведенное в степень, значение которой указано в скобках при "epx";
μ натуральный показатель ослабления (поглощения) зондирующего излучения исследуемой жидкой средой;
m_сл натуральный показатель ослабления (поглощения) зондирующего излучения слоем загрязняющих отложений:
X толщина слоя (оптическая база) исследуемой жидкой среды первого канала зондирования;
K постоянный коэффициент, равный отношению величины оптической базы второго канала зондирования к величине оптической базы первого канала;
X_сл толщина слоя загрязняющих отложений;
2 постоянный коэффициент, учитывающий образование двух одинаковых слоев загрязняющих отложений, одного на излучающей, другого на приемной частях оптической системы канала зондирования в проточном оптроде.

Величина интенсивности излучения на входах оптических систем обоих каналов зондирования и канала опорного излучения устанавливается одинаковой и равной φ_o при установке измерителя на ноль перед началом работы.

Взяв отношение формулы (2) к формуле (3), получим:

Прологарифмировав и преобразовав выражение (4), получим:

Как следует из закона Бугера [1 с. 49, 50] величину τ можно вычислить по формуле:
τ = e^-μ•x (6)
На практике используют не натуральное, а десятичное выражение для вычисления τ для чего заменяется число e на равное ему по величине число 10^0,434, получая таким образом:
τ = 10^{-0,434•μ•X} (7)
Подставив формулу (7) в выражение, являющееся по определению [1, с. 51] оптической плотностью вещества, получим:
D = lg(1/τ)=- lgτ= -lg10^{-0,434•μ•X} = 0,434•μ•X (8)
Заменив в формуле (8) произведение μ•X на его значение из формулы (5), получаем формулу, по которой измеритель вычисляет оптическую плотность исследуемой жидкой среды:

Как видно из выражения (9), ослабление интенсивности зондирующего излучения слоем загрязняющих отложений на оптической системе каналов зондирования в проточной кювете, не влияет на результат вычисления, не внося погрешности в полученную таким образом величину оптической плотности исследуемой жидкой среды.

Для получения формулы, по которой можно вычислить оптическую плотность слоя загрязняющих отложений сделаем следующие преобразования.

Возводим формулу (2) в степень, равную по величине значению коэффициента K:
Φк1

= Φк0• exp(-K•μ•X-2•K•μ_сл•X) (10)
Берем отношение формулы (10) к формуле (3)

После эквивалентных алгебраических преобразований формулы (11) имеем:

Логарифмируем формулу (12):

Умножаем обе части уравнения (15) на 0,434:

Левая часть уравнения (16) в соответствии с формулой (8) является оптической плотностью вещества. Таким образом, получаем формулу, по которой измеритель вычисляет оптическую плотность слоя загрязняющих отложений:

где D_сл оптическая плотность слоя загрязняющих отложений.

На чертеже представлена блок-схема измерителя оптической плотности подвижной жидкой среды.

Измеритель содержит проточную кювету 1 с источниками и приемником инфракрасного излучения по двум зондирующим каналам с разной оптической базой и одному опорному каналу, блок управляемых источников тока 2, фотометр 3, дешифратор 4, приемник управляющих сигналов 5, микропроцессорный вычислитель 6. Вычислитель синхронизирует работу измерителя, выдавая на приемник 5 последовательность управляющих импульсов. Дешифратор последовательно подключает источник опорного и два источника зондирующего излучения к источнику питания. Опорное и прошедшие через исследуемую жидкую среду зондирующие излучения поступают на приемник и преобразованные им в фотометрический сигнал поочередно передаются на фотометр, который преобразует сигналы пропорционально их величине в стандартный токовый сигнал 0-5 мА, поступающий затем на вход вычислителя. Вычислитель после приема, оцифровки и запоминания трех сигналов, соответствующих значениям Φ_o, Φ, Φ, вычисляет по формулам (9) и (17) текущие значения D и D с выдачей информации о них на цифровой дисплей, после чего переходит к следующему циклу измерений. Блок 2 служит для питания источников излучения стабильным током.

Использование: в области водоподготовки и теплоснабжения для непрерывного измерения оптической плотности подвижной жидкости среды, содержащей взвешенные вещества. Сущность изобретения: измеритель оптической плотности подвижной жидкости среды, содержащий источник зондирующего излучения, проточную кювету и приемник, связанный с фотометром и вычислителем, снабжен вторым каналом зондирующего излучения с отличной от первого канала оптической базой. Величина оптической плотности жидкой среды и значение оптической плотности слоя загрязнений вычисляются с учетом интенсивности излучения на каждом из двух входов, на выходе первого и выходе второго каналов зондирующего излучения, соответственно, коэффициента K, равного отношению величины оптической базы второго канала к величине оптической базы первого канала зондирования. 1 ил.

Измеритель оптической плотности подвижной жидкой среды, содержащий источник зондирующего излучения, направляемого в проточную кювету и поступающего после прохождения через жидкость на приемник, связанный с фотометром и вычислителем, отличающийся тем, что измеритель снабжен вторым каналом зондирующего излучения с отличной от первого канала оптической базой, при этом величина оптической плотности D жидкой среды вычисляется по формуле

а значение оптической плотности D_с л слоя загрязнений по формуле

где Ф₀, Ф₁, Ф₂ интенсивность излучения на каждом из двух входов, на выходе первого и выходе второго каналов зондирующего излучения соответственно, коэффициент К равен отношению величины оптической базы второго канала к величине оптической базы первого канала зондирования.