УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА ВОДЫ Российский патент 1999 года по МПК G01N15/04 G01N27/26 

Изобретение относится к устройствам для анализа воды по физико-химическим характеристикам: мутности, результатам седиментационного анализа, электропроводности, температуре, вязкости, электрофоретической подвижности и дзета-потенциалу взвеси, и может быть использовано для технологических измерений в системах водоподготовки и для мониторинга водных объектов.

Известно устройство для анализа воды по показателям: вязкость, удельное сопротивление, электрофоретическая подвижность, в одной измерительной кювете (см. авт.свид. СССР N 1413509, кл. G 01 N 27/26, 1986). Основными недостатками этого устройства являются: невозможность определения в одной измерительной кювете характеристик мутности, температуры и результатов седиментационного анализа, низкая точность измерений и невозможность проведения измерений в автоматическом режиме.

Известно также устройство для анализа воды по показателям седиментационного анализа и мутности в одной измерительной кювете, в котором на систему воздействуют однородным электрическим полем в направлении совпадающем с направлением оседания частиц (см. авт. свид. СССР N 1363020, кл. G 01 N 15/04, 1985). Основными недостатками указанного устройства также являются: малое количество показателей измеряемых в кювете и сложность автоматизации процесса измерения в виду наличия в схеме устройства торзионных весов.

Известно также устройство для измерения электрофоретической подвижности, содержащее измерительную кювету с двойными стенками (термостатической рубашкой), источник постоянного тока, соединенный с электродами, сливной трубопровод с датчиком заполнения водой, электромагнитные клапаны, устройство индикации и регистрации (см. авт. свид. СССР N 1377705, кл. G 01 N 27/26, 1986). Основным недостатком устройства является: недостаточное количество измеряемых параметров в измерительной кювете, сложность эксплуатации из-за необходимости использования перекрывающих механических дисков, которые вызывают движение воды в стационарном объеме и, следовательно, снижают точность измерений.

Наиболее близким к изобретению является устройство, обеспечивающее седиментационный анализ и измерение мутности в прозрачной дисперсионной среде, в котором производится просвечивание стационарного объема исследуемой среды световым потоком в направлении оседания частиц, и регистрация рассеянного частицами светового потока в направлении, перпендикулярном движению частиц, через определенный промежуток времени после начала измерения. При этом измерение интенсивности рассеянного частицами светового потока в направлении оседания частиц производится по крайней мере в трех уровнях, с последующим расчетом мутности и скорости седиментации частиц (см. авт. свид. СССР N 1226174, кл. G 01 N 15/04, 1983). Основными недостатками этого устройства являются: малое количество измеряемых характеристик и завышенные размеры по высоте измеряемой кюветы, из-за необходимости установления по высоте по крайней мере трех фотоприемников.

Целью изобретения является создание устройства, позволяющего выполнять анализ одной и той же пробы воды в автоматическом режиме по широкому набору характеристик, таких как мутность, электропроводность, электрофоретическая подвижность и дзета-потенциал взвеси, вязкость и результаты седиментационного анализа, а также ускорение процесса анализа и повышение его точности.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для анализа воды, содержащее измерительную кювету с двойными стенками оборудованную входной и выходной трубками с электромагнитными клапанами, переливной трубкой с датчиком заполнения воды, фотоприемник, измеряющий световой поток, прошедший через анализируемую воду, фотоприемники фиксирующие свет, отраженный частицами взвеси в разных слоях анализируемой воды и блок нормирующих преобразователей дополнительно содержит кольцевые электроды, расположенные в верхней и нижней частях измерительной кюветы и подключенные к релейному блоку и блоку нормирующих преобразователей, термометр сопротивления, расположенный между двойными стенками, поплавок, прикрепленный к стержню со щетками, расположенный со стороны фотоприемников, фиксирующих свет, отраженный частицами взвеси, гидротурбинку, расположенную в выходной трубке измерительной кюветы, ось которой прикреплена к металлической планке со щетками, электромагнит, расположенный под металлической планкой, и блок нормирующих преобразователей, ко входу которого подключен датчик заполнения кюветы водой, а выходы связаны с блоком управления, выходы блока управления связаны через релейный блок с электромагнитными клапанами, кольцевыми электродами, источником света, электромагнитом. Ко входам блока нормирующих преобразователей подсоединены термометр сопротивления и фотоприемники, фиксирующие свет, отраженный частицами в разных слоях анализируемой воды, причем фотоприемников должно быть по меньшей мере два.

Установка в верхней и нижней частях измерительной кюветы, где производится седиментационный анализ и определение мутности воды, двух кольцевых электродов, подключенных к выходам релейного блока и ко входам блока нормирующих преобразователей, позволяет выполнять в той же измерительной кювете, а следовательно, в одних и тех же пробах воды, дополнительные определения характеристик электропроводности и электрофоретической подвижности. Установка термометра сопротивления между двойными стенками кюветы позволяют, не создавая помех в проведении измерений по другим характеристикам, определять температуру и вязкость одной и той же пробы исследуемой воды, а также дзета-потенциала взвеси.

Установка в измерительной кювете поплавка, прикрепленного к стержню со щетками, расположенному со стороны фотоприемников, фиксирующих свет, отраженный частицами, позволяет после каждого цикла измерений без дополнительных затрат времени производить автоматическую очистку защитных стекол этих фотоприемников, а, следовательно, ускоряет процесс измерений и способствует повышению точности.

Установка в выходной трубке измерительной кюветы гидротурбинки, ось которой прикреплена к металлической планке со щетками и расположение под этой планкой электромагнита позволяет после каждого цикла измерений без дополнительных затрат времени производить автоматическую очистку защитного стекла фотоприемника, измеряющего световой поток, прошедший через анализируемую воду, а, следовательно, также ускоряет процесс измерений и способствует повышению их точности.

Наличие блока нормирующих преобразователей, ко входам которого подсоединены два фотоприемника, установленные на вертикальной стенке измерительной кюветы и фотоприемник, установленный на дне измерительной кюветы, а к выходам подсоединен блок управления, позволит автоматически, практически моментально, получить параметры уравнения кривой седиментации, то есть результаты анализа. Это позволяет сократить затраты времени на проведение анализа и повысить его точность. Устройство двух фотоприемников на вертикальной стенке измерительной кюветы, а не трех, как в прототипе, позволит уменьшить размеры измерительной кюветы, сократить количество фотоприемников и увеличить точность результатов седиментационного анализа за счет неоднократно повторяемых (двух и более) включений фотоприемников. Устройство блока управления позволяет полностью автоматизировать весь процесс анализа, что в свою очередь сокращает затраты времени на его проведение и повышает его точность.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения, не обнаружено. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства, также не выявлены. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлена общая схема устройства; на фиг. 2 - схема очищающего устройства с электромагнитом, на фиг. 3 - пример обработки результатов измерений.

Устройство для анализа воды на фиг. 1 состоит из измерительной кюветы 1, электромагнитного клапана 2 на трубе подачи воды, датчика заполнения измерительной кюветы 3 на переливной трубе, электромагнитного клапана 4 на выходной трубке, двух фотоприемников 5, расположенных на внутренней вертикальной стенке кюветы, кроме того, устройство содержит стержень 6 со щетками 7, прикрепленный к поплавку 8, источник света 9, гидротурбинку 10, ось которой прикреплена к металлической планке 11 со щетками 12, фотоприемник 13, электромагнит 14, термометр сопротивления 15, расположенный в зазоре между внутренней 16 и наружной 17 стенками измерительной кюветы, кольцевых электродов 18, релейного блока 19, блока управления 20, блока нормирующих преобразователей 21, устройства индикации 22.

Устройство работает следующим образом: перед началом измерения по сигналу блока управления 20 включается источник света 9, такое включение осуществляется заранее для того, чтобы сила света этого источника стабилизировалась. Затем включается электромагнит 14, что позволяет установить металлическую планку 11 со щетками 12 в таком положении, при котором они не перекрывают световой поток, поступающий на фотоприемник 13 (фиг. 2). Открывается электромагнитный клапан 2 на трубе, подающей воду в измерительную кювету 1, и закрывается электромагнитный клапан 4 на выпускной трубе. При заполнении кюветы 1 водой избыток воды переливается по переливной трубе, на которой установлен датчик заполнения измерительной кюветы 3. По сигналу датчика заполнения 3, поступающему в блок управления 20, через блок 21 закрывается электромагнитный клапан 2.

После истечения промежутка времени, заданного в блок управления 20, проводится седиментационный анализ в двух режимах: 1 - без создания однородного электрического поля, 2 - при созданном однородном электрическом поле. По сигналу с блока управления 20 проводится седиментационный анализ в 1 режиме: включаются фотоприемники 5, фиксирующие свет, отраженный частицами взвеси, фотоприемник 13, фиксирующий световой поток, прошедший анализируемую среду. Сигналы от всех фотоприемников поступают в блок нормирующих преобразователей 21. Через заданный промежуток времени по сигналу с блока управления 20 фотоприемники 13 и 5 производят повторное измерение. Сигнал также поступает в блок нормирующих преобразователей 21.

Далее, через заданный промежуток времени, проводится седиментационный анализ во 2 режиме: между электродами 18 создается однородное (постоянное) электрическое поле и выполняются аналогичные операции седиментационного анализа.

После истечения промежутка времени, заданного в блоке управления 20, по сигналу с блока управления 20 включаются фотоприемники 5, фиксирующие свет, отраженный частицами взвеси, фотоприемник 13, фиксирующий световой поток, прошедший анализируемую среду. Сигналы от всех фотоприемников поступают в блок нормирующих преобразователей 21. Через заданный промежуток времени, по сигналу с блока управления 20 фотоприемники 13 и 5 производит повторное измерение. Сигнал также поступает в блок нормирующих преобразователей 21. Устройство индикации 22 фиксирует полученные результаты.

Разность концентраций в верхней и нижней частях измерительной кюветы равна:
K=M₂-M₁, мг/л,
где M₁, M₂ - концентрации взвешенных частиц, находящихся в верхней и нижней частях измерительной кюветы.

Гидравлическая крупность частиц, соответствующая K, равна:
U=(l₂-l₁)/t, мм/с,
где l₁, l₂ - расстояние от поверхности жидкости до фотоприемников соответственно.

t - время.

Кривая седиментации представляет собой кривую зависимости K/M=f(U), где M - концентрация взвешенных частиц в жидкой среде, находящихся в измерительной кювете.

Полученные параметры позволяют построить две кривые седиментации K/M= f(U): 1 - без воздействия однородного электрического поля, 2 - в однородном электрическом поле, которые помогут определить электрофоретическую подвижность частиц взвеси в исследуемой воде. Для этого можно задать определенное значение K/M, которое можно ввести как стандартное, из графиков определяются соответственно значение U в двух случаях. Затем производится обработка результатов седиментационного анализа (см. авт. свид. СССР N 1226174, кл. G 01 N 15/04, 1983).

Обработка данных седиментационных кривых, для определения электрофоретической подвижности:
U_2у=U₂+U_эфп,
где U₂, U₁ - гидравлическая крупность части взвеси,
U_2у - условная гидравлическая крупность частиц взвеси,
U_эфп - электрофоретическая скорость оседания частиц взвеси.

Условной гидравлической крупность она названа потому, что состоит из двух составляющих - действительной гидравлической крупности U₂ и электрофоретической скорости движения частиц U_эфп. Так как оба измерения проходят в одной и той же пробе воды, то можно считать:
U₂=U₁.

Тогда электрофоторетическая скорость движения частиц взвеси в воде будет U_эфп=U_2у-U₁.

После проведения измерений по команде с блока управления 20 отключается источник постоянного света 9. По сигналу блока управления 20 производится замер температуры термометром сопротивления 15. В блоке управления 20 определяется вязкость в зависимости от температуры по зависимости, заложенной в память устройства.

Измерение удельного сопротивления осуществляется по команде блока управления 20, между кольцевыми электродами 18 создается однородное электрическое поле. Сопротивление вычисляется в блоке 20, где преобразуется в удельную электропроводность. Величину удельной электропроводности воды определяют по уравнению (см. Хидякова Т.Д., Крешков А.П. Кондуктометрический метод анализа. М.: Высшая школа, 1978, с. 25-127).

k = l/S(1/R),
где l - расстояние между электродами,
S - площадь электродов,
R - сопротивление воды.

Можно это уравнение выразить следующей зависимостью:
k = K•(1/R),
где K - константа сосуда, зависящая от площади электродов и расстояния между ними.

Для определения константы сосуда измеряют сопротивление стандартного раствора с известной электропроводностью. При измерении удельной электропроводности необходимо учитывать температуру воды и при несоответствии ее 20^oC, следует вводить соответствующие поправки, которые должны быть введены в блок управления 20.

Величина дзета-потенциала частиц определяется из уравнения Гельмгольца-Смолуховского (см. Дулицкая Р.А., Фельдман Р.И. Практикум по физической и коллоидной химии. М.: Высшая школа, 1978, с. 266).

z = phw/e₀e_а,
где e₀ - электрическая постоянная дисперсной среды,
e_а - абсолютная диэлектрическая проницаемость,
h - коэффициент вязкости,
w - электрофоретическая подвижность дисперсной фазы.

Для ускорения и облегчения вычисления дзета-потенциала частиц взвеси в воде, уравнение применительно к исследованию водных суспензий было приведено к виду:
z = 1,4•10⁵hw,
где h - динамическая вязкость воды.

После проведения всех измерений по команде с блока управления 20 включается электромагнит 14, открывается клапан 4. При этом цилиндр опорожняется, а с опусканием уровня воды в цилиндре 1 опускается поплавок 8 с очищающим стержнем 6. При этом щетки 7 очищают от загрязнений стекла фотоприемников 5.

Кроме того, в процессе опорожнения цилиндра 1 вращается гидротурбинка 10 и прикрепленные к ней щетки очищают стекло фотоприемника 13. Для качественной промывки измерительной кюветы предусматривается неоднократный впуск и выпуск воды без проведения измерений. Для этого в блоке управления 20 задается соответствующая установка. После опорожнения кюветы 1 следующий цикл операций по анализу воды повторяется через заданный промежуток времени.

Пример обработки результатов измерений.

Предположим, что таймеру задан промежуток времени в 1 мин, через который по сигналу с блока управления 20 фотоприемники будут включаться. Первые два измерения проводятся без воздействия однородного электрического поля. Первое измерение проводится через 1 мин, после "успокоения" жидкости:
M₁=4 мг/л, M₂=5 мг/л, M=6 мг/л.

Второе измерение - через 1 мин после первого:
M₃=3,7 мг/л, M₄=5,3 мг/л, M=6 мг/л.

Два последующих проводятся при воздействии однородного электрического поля, т.е. при включенных электродах 18:
M_1п=3,5 мг/л, M_2п=5,5 мг/л, M=6 мг/л.

M_3п=3 мг/л, M_4п=6 мг/л, M=6 мг/л.

Разность концентраций в верхней и нижней частях измерительной кюветы равна:
K₁=5-4=1, мг/л, - K₁/M=0,166
K₂=5,3-3,7=1,6, мг/л, - K₂/M=0,26
K₃=5,5-3,5=2, мг/л, - K₃/M=0,33
K₄=6-3=3, мг/л, - K₄/M=5
Гидравлическая крупность частиц, соответствующая K, равна:
U₁=(300-100)/60=3,33, мм/сек,
U₂=1,66, мм/сек, U₃=1,11, мм/сек, U₄=0,83, мм/сек.

Полученные параметры позволяют построить две кривые седиментации (фиг. 3) K/M= f(U): 1 - без воздействия однородного электрического поля, которые помогут определить электрофоретическую подвижность частиц взвеси в исследуемой воде, для этого задают определенное значение K/M, которое вводят в блок нормирующих преобразователей, из графиков определяется соответственно значения U в двух случаях. Затем производится обработка результатов седиментационного анализа (см. авт.свид. СССР N 1226174, кл. G 01 N 15/04, 1983).

Обработка данных седиментационных кривых, для определения электрофоретической подвижности:
U_2у=U₂+U_эфп
тогда электрофоретическая скорость движения частиц взвеси в воде будет
U=1,6-1,3=0,3е

Устройство может использоваться для технических измерений в системах водоподготовки и для мониторинга водных объектов. Устройство позволяет выполнить анализ одной и той же пробы в автоматическом режиме по мутности, электропроводности, электрофоретической подвижности и определить дзета-потенциал взвеси, ускоряет процесс анализа и повышает его точность. Устройство содержит измерительную кювету с двойными стенками, между которыми установлен термометр сопротивления. Кювета имеет входную и выходную трубки с электромагнитными клапанами и переливную трубку с датчиком заполнения воды. В верхней и нижней частях кюветы расположены кольцевые электроды. Устройство снабжено фотоприемниками, фиксирующими свет, отраженный частицами взвеси и прошедший через анализируемую воду. Процесс измерения, управления и очистки фотоэлементов устройства автоматизирован. 3 ил.

Устройство для анализа воды, содержащее измерительную кювету, источник света, фотоприемники, фиксирующие свет, отраженный частицами взвеси, фотоприемник, фиксирующий световой поток, прошедший анализируемую среду и устройство индикации, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит поплавок, прикрепленный к стрежню со щетками, расположенными со стороны фотоприемников, фиксирующих свет, отраженный частицами взвеси, которых должно быть по меньшей мере два, гидротурбинку, к оси которой прикреплена металлическая планка со щетками, под которой имеется электромагнит, релейный блок и блок нормирующих преобразователей, ко входам которого подсоединены датчик заполнения водой, термометр сопротивления и фотоприемники, а выходы связаны с блоком управления, выходы которого связаны через релейный блок с электромагнитным клапаном, кольцевыми электродами, источником света и с электромагнитом, причем измерительная кювета, имеющая двойные стенки, между которыми установлен термометр сопротивления, оборудованная входным и выходным патрубками с электромагнитными клапанами и переливной трубкой с датчиком заполнения воды, снабжена кольцевыми электродами, расположенными в ее верхней и нижней частях.