БЕСКОНТАКТНЫЙ ПОТОЧНЫЙ МУТНОМЕР Российский патент 2004 года по МПК G01N21/49 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при решении задач непрерывного контроля качества воды, экологического мониторинга, измерения концентрации дисперсной фазы эмульсий и суспензий.

Поточные контактные мутномеры, как правило, представляют собой оптические турбидиметры или нефелометры [Андреев B.C., Попечителев Е.П. Лабораторные приборы для исследования жидких сред. - Л.: Машиностроение. - 1981. - С.99-101]. Их общим недостатком является загрязнение прозрачных окон излучателей и приемников, непосредственно соприкасающихся с контролируемой средой, вследствие чего погрешности измерения становятся очень большими, либо вообще нарушается работоспособность устройства. Существуют различные способы минимизации влияния этого фактора, например разогрев стекол, обработка их гидрофобизирующими составами, применение механических очистителей, применение измерительных кювет с переменной толщиной рабочего слоя и т.д. [Беляков В.Л. Автоматизация промысловой подготовки нефти и воды. - М.: Недра. - 1988. - С.133]. Все они сложны и неэффективны.

Один из эффективных способов устранения влияния загрязнения окон на результат - использование четырехлучевой схемы, в которой предполагается наличие двух излучателей и двух фотоприемников. Устройство, работающее по такой схеме [Заявка на патент Великобритании №GB 2251682 А, МПК G 01 N 21/49, 21/59. Опубл. 15.07.1992], содержит измерительную камеру с контролируемой жидкостью, в стенках которой расположены два излучателя и два фотоприемника, причем ось первого фотоприемника совпадает с осью противолежащего первого излучателя и перпендикулярна оси второго излучателя, а ось второго фотоприемника совпадает с осью противолежащего второго излучателя и перпендикулярна оси первого излучателя. Выводы излучателей и фотоприемников подключены к схеме управления и обработки сигнала. Поочередное включение излучателей позволяет снимать с каждого фотоприемника по два сигнала, один из которых соответствует прямому ослабленному излучению (турбидиметрия), а второй - рассеянному излучению (нефелометрия). Полученные четыре сигнала входят в специальное математическое выражение, расчет которого позволяет получить итоговый результат, свободный от нестабильности прозрачности всех окон. Однако при сильных загрязнениях, особенно при наличии липкой фазы, такое устройство становится неработоспособным.

Известны различные бесконтактные мутномеры, в которых между оптическими элементами и жидкой средой находится воздушный промежуток. В их основе обычно лежат конструкции, в которых формируется свободная поверхность непрерывно протекающей жидкости с постоянным уровнем, над которой устанавливаются излучатель. Фотоприемник устанавливается либо над той же поверхностью жидкости, либо перпендикулярно вытекающей струе. Сигнал на выходе последнего обычно пропорционален концентрации взвешенных частиц.

Например, мутномер WTM500 фирмы Sigrist Photometer AG (Швейцария) [Rogner A. Turbidity Measurement in drinking water applications - new requirements and approaches // International Environmental Technology. - Vol.8, 6. - 1998. - Pp.9-10] содержит открытый сверху основной сосуд, имеющий патрубок в нижней боковой части для подачи жидкости и отверстие в дне для формирования свободно падающей равномерной струи, сосуд-сборник для отвода жидкости, переливающейся через верх основного сосуда и утекающей в виде падающей струи, излучатель, расположенный над поверхностью жидкости и просвечивающий падающую струю, рядом с которой установлен фотоприемник, ось которого перпендикулярна направлению струи. Выводы излучателя и фотоприемника подключены к схеме управления и обработки сигнала.

Недостатком этого устройства является сложность поддержания равномерного сечения струи в условиях сильных загрязнений, когда выходное отверстие постепенно сужается из-за отложений, а также возможность запотевания и забрызгивания фотоприемника или излучателя, что приводит к погрешности измерений.

Наиболее близким по функциональным и конструктивным признакам к предлагаемому устройству является бесконтактный поточный мутномер [Патент США №3309956. НКИ 88-14. Опубл. 21.03.1967], содержащий открытый сверху основной сосуд, имеющий патрубок в нижней части для подачи жидкости, сосуд-сборник для отвода жидкости, переливающейся через верх основного сосуда, излучатель и фотоприемник, расположенные над поверхностью жидкости, причем фотоприемник подключен к схеме обработки сигнала, оси излучателя и фотоприемника сходятся в одной точке на поверхности жидкости, ось излучателя сильно наклонена к поверхности жидкости, ось фотоприемника перпендикулярна к поверхности, а основной сосуд наклонен таким образом, что преломленный в жидкости луч от излучателя направлен на дно и не попадает на стенки сосуда. Сигнал на выходе фотоприемника будет пропорционален интенсивности света, рассеиваемого взвешенными частицами, а следовательно, концентрации частиц.

Недостатком описанного устройства является низкая метрологическая надежность устройства, обусловленная тем, что возможные изменения прозрачности окон излучателя и фотоприемника (из-за запотевания, забрызгивания, запыления, старения) приведут к погрешности. Нестабильность характеристик излучателя и фотоприемника также приведет к погрешности. Изменение расхода жидкости может привести к небольшому (1-3 мм) изменению уровня жидкости, что также изменит сигнал на выходе фотоприемника. Заметную погрешность могут вызывать также переотражения от дна и стенок сосуда и диффузное отражение от поверхности жидкости.

Техническая задача, решаемая в изобретении, заключается в повышении точности и метрологической надежности устройства за счет устранения различных факторов нестабильности передачи оптического сигнала.

Задача решается тем, что в известном бесконтактном поточном мутномере, содержащем открытый сверху основной сосуд, имеющий патрубок в нижней части для подачи жидкости, сосуд-сборник для отвода жидкости, переливающейся через верх основного сосуда, излучатель и фотоприемник, расположенные над поверхностью жидкости, в отличие от прототипа, основной сосуд расположен вертикально, над поверхностью жидкости дополнительно размещены второй излучатель и второй фотоприемник, оси излучателей и фотоприемников параллельны и вертикальны и расположены в одной плоскости, оси излучателей обращены к стенкам основного сосуда, а оси фотоприемников - к центру сосуда, первые излучатель и фотоприемник разделены вертикальной светонепроницаемой перегородкой, имеющей горизонтальную прорезь, находящуюся в жидкости в непосредственной близости от ее поверхности, и загнутый к центру сосуда нижний край, не соприкасающийся с дном основного сосуда, вторые излучатель и фотоприемник расположены симметрично первым относительно оси сосуда и также разделены аналогичной перегородкой, выводы всех излучателей и фотоприемников подключены к схеме управления и обработки сигналов.

На чертеже представлено продольное сечение предлагаемого мутномера, а также одно из его характерных поперечных сечений.

Устройство содержит открытый сверху вертикально расположенный основной сосуд 1, имеющий патрубок 2 в нижней части для подачи жидкости, сосуд-сборник 3 для отвода жидкости, переливающейся через верх основного сосуда 1, первый излучатель 4, первый фотоприемник 5, второй излучатель 6 и второй фотоприемник 7, расположенные над поверхностью жидкости. Оси излучателей и фотоприемников параллельны и вертикальны и расположены в одной плоскости, оси излучателей 4 и 6 обращены к стенкам основного сосуда 1, а оси фотоприемников 5 и 7 - к центру сосуда 1, первые излучатель 4 и фотоприемник 5 разделены вертикальной светонепроницаемой перегородкой 8, имеющей горизонтальную прорезь 9, находящуюся в жидкости в непосредственной близости от ее поверхности, и загнутый к центру сосуда нижний край, не соприкасающийся с дном основного сосуда 1, вторые излучатель 6 и фотоприемник 7 расположены симметрично первым относительно оси сосуда 1 и также разделены аналогичной перегородкой 10 с прорезью 11. Выводы всех излучателей и фотоприемников подключены к схеме управления и обработки сигнала 12, которое связано с внешними устройствами интерфейсным кабелем 13. Патрубок 2 соединен с подводящим трубопроводом 14, а сосуд-сборник 3 - с отводящим трубопроводом 15. Излучатели 4,6 и фотоприемники 5,7, а также схема управления и обработки сигнала 12 размещены в надстройке 16, которая снизу опирается на перегородки 8 и 10.

Устройство работает следующим образом.

По трубопроводу 14 через патрубок 2 в основной сосуд 1 непрерывно подается контролируемая жидкость. Жидкость поднимается вверх как по средней, так и по обеим боковым частям сосуда 1, затем переливается через стенки вниз. Таким образом в верхней части сосуда 1 создается свободная поверхность жидкости фиксированного уровня. Слившаяся жидкость собирается в сосуде-сборнике 3 и самотеком удаляется через трубопровод 15. В начале цикла измерения схема управления и обработки сигнала 12 инициирует импульс излучения излучателя 4. Это излучение даже при расходящемся потоке от излучателя 4 при нулевой концентрации взвешенных частиц не будет вызывать засветки фотоприемника 5, так как отражения от поверхности жидкости исключаются благодаря верхней части перегородки 8, а отражения от дна сосуда 1 отсекаются благодаря нижнему придонному загибу этой же перегородки. Прорезь 9 в перегородке 8 выполнена таким образом, что луч от излучателя 4 при нулевой концентрации взвешенных частиц не попадает на края этой прорези. При повышении концентрации взвешенных частиц увеличивается часть потока, рассеиваемая частицами в горизонтальном направлении и выходящая за прорезь 9. Причем вышедший за прорезь рассеиваемый поток в горизонтальном направлении слева направо будет убывать по экспоненциальной зависимости согласно закону Бугера-Ламберта-Бера. Горизонтальный поток рассеивается во всех направлениях, в том числе и в направлении поверхности жидкости. Яркость выходящего с поверхности излучения замеряется первым 5 и вторым фотоприемником 7. Причем при идентичности фотоприемников фототок I_1L на выходе фотоприемника 5 будет всегда больше фототока I_2L фотоприемника 7, а кратность отношения первого ко второму будет тем больше, чем больше мутность (концентрация взвешенных частиц с). Индекс L соответствует левому активному излучателю. Измеренные значения I_1L и I_2L запоминаются в оперативной памяти схемы 12. Затем схема 12 гасит излучатель 4, включает излучатель 6 (правый по схеме) и так же, как в первом такте работы, производит замеры фототока фотоприемников 5 и 7. В этом случае фототок фотоприемника 7 будет больше фототока фотоприемника 5. Аналогично значения I_1R и I_2R запоминаются в оперативной памяти схемы 12. Затем схема 12 производит вычисление следующего отношения, которое является функцией концентрации и не зависит от нестабильности оптических каналов передачи информации

где R - результат вычислений,

I_1L,_{I2L - фототоки первого и второго фотоприемников соответственно при включенном левом излучателе;}

I_1R, I_2R - фототоки первого и второго фотоприемников соответственно при включенном правом излучателе;

F(c) - некоторая функция от концентрации взвешенных частиц.

Затем с помощью градуировочной зависимости, заложенной в память схемы 12, находится искомая концентрация: c=ϕ(R), где ϕ - функция, обратная F. Вычисленное значение по интерфейсному кабелю 13 передается на внешние устройства (индикаторы, управляющие устройства и т.д.). Затем цикл повторяется.

Покажем, что отношение R действительно свободно от разного рода нестабильностей. Обозначим яркости первого (левого) и второго (правого) излучателей соответственно A_L и A_R, функции преобразования (зависимости фототока от концентрации) при активном левом излучателе для первого и второго фотоприемников соответственно f_1L(c) и f_2L(c), a при активном правом аналогично f_1R(c) и f_2R(с). Коэффициенты нестабильности, показывающие кратность случайных изменений параметров излучателей и приемников, обозначим так:

- k_L и k_R - коэффициенты нестабильности левого и правого излучателей соответственно, обусловленные, например, изменениями напряжения питания, изменениями вольт-яркостной характеристики излучателей, запотеванием излучателя, изменениями коэффициента отражения от поверхности жидкости;

- k₁ и k₂ - коэффициенты нестабильности первого и второго фотоприемников соответственно, обусловленные, например, изменениями напряжения питания, изменениями чувствительности фотоприемников, запотеванием фотоприемников, изменениями коэффициента отражения от поверхности внутри жидкости, небольшими изменениями уровня жидкости.

Тогда выражения для фототоков фотоприемников можно записать так:

Далее подставим выражения (2)-(5) в (1). В полученной дроби нестабильные составляющие A_L, A_R, k_L, k_R, k₁, k₂ сокращаются и остается

Таким образом, результат R в (6) зависит, в основном, от концентрации с и не зависит от перечисленных нестабильных факторов.

Описанное устройство может быть реализовано на основе доступных и легко изготавливаемых элементов.

На чертеже представлен лишь иллюстративный пример возможной конфигурации и взаимного расположения таких элементов, как основной сосуд 1, сосуд-сборник 3, перегородки 8, 10. Возможны и другие варианты: например, основной сосуд 1 может иметь форму цилиндрического стакана, а перегородки 8 и 10 могут быть слиты воедино и образовывать внутренний коаксиальный стакан, имеющий прорези в верхней части и дно с отверстием в нижней части. При этом назначение элементов остается прежним - обеспечить постоянный уровень жидкости при отсутствии паразитных засветок.

Излучатели представляют собой светодиоды достаточной мощности. Могут быть использованы и лазеры, но в этом нет необходимости, поскольку сама конструкция позволяет работать и с расходящимися пучками света. В качестве фотоприемников лучше всего использовать фотодиоды, причем в их фокусировке также нет необходимости; нужно лишь разносить их друг от друга на такое расстояние, чтобы их диаграммы направленности на поверхности жидкости не перекрывались между собой или перекрывались как можно меньше. Схема управления и обработки сигнала 12 может быть выполнена на основе одного из широко распространенных программируемых PIC-контроллеров фирмы MicroChip.

Описанное устройство обладает следующими преимуществами по сравнению с прототипом:

- повышенными разрешающей способностью и точностью измерений, поскольку при малых значениях мутности отсутствуют паразитные засветки от поверхности жидкости, дна и стенок основного сосуда;

- повышенной метрологической надежностью, так как случайные изменения яркости излучателей, загрязнение или запотевание стекол оптических элементов, флуктуации уровня жидкости, изменения оптических характеристик перехода на границе "воздух-жидкость" не влияют на результат благодаря применяемому специальному логометрическому алгоритму обработки сигналов;

- благодаря вертикальной установке основного сосуда общая конструкция может быть весьма компактной, а простые схемы расположения и крепежа элементов, некритичность к выбору оптических элементов, отсутствие дорогостоящих деталей делают устройство более технологичным и дешевым.

Использование: мутномер может быть использован при решении задач непрерывного контроля качества воды или других жидкостей, измерения концентрации эмульсий и суспензий. Сущность изобретения: мутномер содержит открытый сверху основной сосуд 1, имеющий патрубок 2 в нижней части для подачи жидкости, сосуд-сборник 3 для отвода жидкости, переливающейся через верх основного сосуда 1, излучатели 4 и 6, фотоприемники 5 и 7, расположенные над поверхностью жидкости. Излучатели определены от фотоприемников вертикальными светонепроницаемыми перегородками 8, 10, имеющими горизонтальные прорези 9,10 и загнутые к центру сосуда нижние края, не соприкасающиеся с дном основного сосуда 1. Перегородки служат для предотвращения переотражений от дна и стенок сосуда. Выводы всех излучателей и фотоприемников подключены к схеме управления и обработки сигналов 12. Излучатели 4 и 6 включаются поочередно, при этом одновременно измеряются уровни сигналов на выходах обоих фотоприемников. Четыре полученных значения подставляются в специальную расчетную формулу для вычисления концентрации взвешенных частиц, причем формула составлена таким образом, что случайные изменения яркости излучателей, загрязнение или запотевание стекол оптических элементов, флуктуации уровня жидкости, изменения оптических характеристик перехода на границе “воздух-жидкость” не влияют на результат. Достигаемым техническим результатом является повышение точности и метрологической надежности мутномера. 1 ил.

Бесконтактный поточный мутномер, содержащий открытый сверху основной сосуд, имеющий патрубок в нижней части для подачи жидкости, сосуд-сборник для отвода жидкости, переливающейся через верх основного сосуда, излучатель и фотоприемник, расположенные над поверхностью жидкости, отличающийся тем, что основной сосуд расположен вертикально, над поверхностью жидкости дополнительно размещены второй излучатель и второй фотоприемник, оси излучателей и фотоприемников параллельны и вертикальны и расположены в одной плоскости, оси излучателей обращены к стенкам основного сосуда, а оси фотоприемников - к центру сосуда, первые излучатель и фотоприемник разделены вертикальной светонепроницаемой перегородкой, имеющей горизонтальную прорезь, находящуюся в жидкости в непосредственной близости от ее поверхности, и загнутый к центру сосуда нижний край, не соприкасающийся с дном основного сосуда, вторые излучатель и фотоприемник расположены симметрично первым относительно оси сосуда и также разделены аналогичной перегородкой, выводы всех излучателей и фотоприемников подключены к схеме управления и обработки сигналов.