БЕСКОНТАКТНЫЙ 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 бесконтактных схем построения мутномеров, 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.

Типичным примером реализации бесконтактной схемы построения мутномеров является 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.

Другим известным вариантом реализации бесконтактных измерений мутности являются схемы с просвечиванием струи. В одном из таких устройств [патент США №5489977, НКИ 356/73, МПК G 01 B 21/00, опубл. 06.02.1996] формируется вертикальная струя жидкости, перпендикулярно ей располагается излучатель, просвечивающий струю, а перпендикулярно прямому лучу располагается фотоприемник, предназначенный для формирования нефелометрического сигнала.

Недостатком таких устройств является зависимость результата от состояния струи, нестабильности излучателя и фотоприемника, возможного запотевания или забрызгивания прозрачных окон последних.

Наиболее близким по функциональным и конструктивным признакам к предлагаемому устройству является бесконтактный мутномер WTM500 фирмы Sigrist Photometer AG (Швейцария) [Rogner A. Turbidity Measurement in drinking water applications - new requirements and approaches // International Environmental Technology, v.8,6, 1998, p.9-10], который содержит открытый сверху основной сосуд, имеющий патрубок в нижней боковой части для подачи жидкости и сливную горловину в дне для формирования свободно падающей равномерной струи, дренажную систему для отвода жидкости, переливающейся через верх основного сосуда и утекающей в виде падающей струи, излучатель, расположенный над поверхностью жидкости и просвечивающий сверху падающую струю, рядом с которой установлено фотоприемное устройство, ось которого перпендикулярна направлению струи, а также контроллер для управления и обработки сигналов. Выводы излучателя и фотоприемника подключены к контроллеру управления и обработки сигналов. В таком устройстве струя относительно стабильна за счет постоянства уровня в основном сосуде. С выхода фотоприемного устройства снимается нефелометрический сигнал, пропорциональный яркости рассеиваемого излучения, а значит, содержанию взвешенных частиц.

Недостатком этого устройства является невозможность поддержания равномерного сечения и строго вертикального направления струи в условиях отложений солей и загрязнений в донной части основного сосуда, перепадов вязкости жидкости, случайных ударов корпуса, вибраций и т.д., а также возможность запотевания и забрызгивания фотоприемного устройства или излучателя, что приводит к погрешности измерений.

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 мутномере, содержащем открытый сверху основной сосуд, имеющий патрубок в нижней боковой части для подачи жидкости и сливную горловину в дне для формирования свободно падающей равномерной струи, дренажную систему для отвода жидкости, переливающейся через верх основного сосуда и утекающей в виде падающей струи, излучатель, расположенный над поверхностью жидкости и просвечивающий сверху падающую струю, рядом с которой установлено фотоприемное устройство, а также контроллер для управления и обработки сигналов, в отличие от прототипа, фотоприемное устройство выполнено в виде двух одинаковых групп фотоприемников, направленных на струю и распределенных равномерно по окружности, охватывающей эту струю, причем группы фотоприемников разнесены друг от друга на расстояние, в 2-5 раз превышающее диаметр струи, фотоприемники в первой и второй группах соединены параллельно и подключены ко входам соответственно первого и второго усилителей, выходы которых соединены с соответствующими входами контроллера, а управляющий выход контроллера подключен к излучателю.

На фиг.1 схематично в аксонометрии показан предлагаемый мутномер, на фиг.2 показана примерная схема свечения струи при ее искривлении.

Устройство содержит открытый сверху основной сосуд 1, имеющий патрубок 2 в нижней боковой части для подачи жидкости, и сливную горловину 3 в дне для формирования свободно падающей равномерной струи 4, дренажную систему 5 для отвода жидкости, переливающейся через верх основного сосуда 1 и утекающей в виде падающей струи 4, излучатель 6, расположенный над поверхностью жидкости и просвечивающий сверху падающую струю 4, которую охватывает фотоприемное устройство, состоящее из двух одинаковых групп фотоприемников 7 и 8, причем фотоприемники в первой и второй группах соединены параллельно и подключены ко входам соответственно первого и второго усилителей 9 и 10, выходы которых соединены с соответствующими входами контроллера 11, а управляющий выход контроллера 11 подключен к излучателю 6. В каждой из групп 7 и 8 все фотоприемники направлены на струю и распределены равномерно по окружности, охватывающей эту струю, причем группы фотоприемников 7 и 8 разнесены друг от друга на расстояние, в несколько раз превышающее диаметр струи 4.

Устройство работает следующим образом. Через патрубок 2 в основной сосуд 1 непрерывно подается контролируемая жидкость. Жидкость поднимается вверх и затем переливается через стенки вниз, где собирается и удаляется с помощью дренажной системы 5. Кроме того, жидкость стекает в виде ровной и непрерывной струи 4 через сливную горловину 3. Этому способствует то, что в верхней части сосуда 1 создается свободная поверхность жидкости фиксированного уровня. Поскольку уровень не изменяется, то и гидростатичесое давление на дне сосуда 1 неизменно и расход через горловину 3 нормализован. Жидкость, сливающаяся в виде струи 4, также собирается и отводится с помощью дренажной системы 5. В начале цикла измерения по сигналу контроллера 11 включается излучатель 6, который просвечивает объем жидкости в сосуде 1 и стекающую струю 4. Группы фотоприемников 7 и 8 воспринимают рассеянное взвешенными частицами излучение в соответствующих сечениях струи. Так как фотоприемники в каждой группе включены параллельно, то их фототоки суммируются. Суммы фототоков подаются на входы усилителей 9 и 10, где они преобразуются в напряжение и усиливаются. Такое суммирование фототоков фотоприемников, расположенных по окружности вокруг струи, позволяет существенно увеличить чувствительность и разрешающую способность мутномера, а следовательно, и точность измерений по сравнению с аналогами, где используются единичные фотоприемники. Кроме того, изменения конфигурации сечения струи и отклонения ее от вертикального направления (вызванные, например, отложениями солей и загрязнений в донной части сосуда 1, перепадами вязкости жидкости, случайными ударами корпуса, вибрациями и т.д.) практически не изменяют суммарный фототок в каждой группе и он остается постоянным при разных искривлениях струи. Усиленные сигналы подаются на соответствующие входы контроллера 11, где они подвергаются аналого-цифровому преобразованию и дальнейшей вычислительной обработке. Эта обработка заключается, прежде всего, в нахождении отношения двух сигналов

где U₁ - напряжение на выходе усилителя 9;

U₂ - напряжение на выходе усилителя 10.

Найденное отношение R свободно от нестабильности излучателя. Действительно, каждое из напряжений будет определяться по закону, аналогичному закону Бугера-Ламберта-Бера [Беляков В.Л. Автоматизация промысловой подготовки нефти и воды. - М.: Недра, 1988, c.129]:

где I₀ - яркость излучателя,

K₁, K₂, k₁, k₂ - некоторые коэффициенты,

r₁, r₂ - расстояния от поверхности жидкости до первой и второй групп фотоприемников соответственно,

с - концентрация взвешенных частиц.

Если теперь поделить (1.2) на (1.3), то нестабильная составляющая L₀ сократится, а результат R будет зависеть от с.

Затем по заложенной в памяти контроллера (в табличном или аналитическом виде) функциональной (градуировочной) зависимости определяется искомая мутность (концентрация взвешенных частиц с)

На этом цикл измерения заканчивается. Вычисленное значение индицируется на встроенном индикаторе контроллера 11 или, при необходимости, передается во внешние информационные сети. На время вычислений излучатель 6 гасится в целях его более экономичной работы. Затем цикл повторяется.

Существенным отличительным элементом предлагаемого устройства является фотоприемное устройство, состоящее из двух групп 7 и 8, каждая из которых включает в себя множество фотоприемников (например, фотодиодов), расположенных по окружности вокруг струи 4. Количество фотоприемников предпочтительно выбирать от трех и более, и они должны быть распределены равномерно по окружности. Раскрыв диаграммы направленности фотоприемников полезно делать как можно шире; по крайней мере он должен быть таким, чтобы при любых возможных деформациях и отклонениях струи 4 ее поперечное сечение вписывалось в угол раскрыва диаграммы направленности каждого фотоприемника. Расстояние от фотоприемников до струи выбирается таким, чтобы исключить забрызгивание фотоприемников. Предпочтительно выбирать диаметр окружности для расположения фотоприемников групп 7 и 8 равным 2-5 диаметров струи. Лучшие результаты получаются при большем количестве фотоприемников. В этом случае чувствительность к мутности будет выше, а погрешность от нестабильности струи меньше. В предельном случае каждая группа фотоприемников 7, 8 может быть заменена сплошным кольцеобразным фотоприемником с равномерной внутренней воспринимающей поверхностью, направленной на струю.

Если, предположим, фотоприемники в группе 7(8) расположены по окружности L (фиг.2) и воспринимают излучение, выходящее с лентообразной поверхности S, охватывающей струю 4, то суммарный фототок, складывающийся из элементарных фототоков с отдельных фотоприемников, направленных на соответствующие участки поверхности ΔS_i, будет оставаться практически постоянным при искривлениях поперечного сечения и отклонениях струи 4 от вертикали V. Действительно, пусть лентообразная поверхность S меняет свою кривизну и (или) смещается в сторону от центра окружности L (при этом считаем, что площадь поперечного сечения самой струи сохраняется). Тогда, если какой-либо участок ΔS_i приближается к фотоприемнику, то фототок этого фотоприемника возрастает, но если длина контура S неизменна, то при этом обязательно будет существовать другой участок, удаляющийся на то же расстояние от линии расположения фотоприемников L, и фототок фотоприемника, направленного на удаляющийся участок, будет уменьшаться. В итоге изменения суммарного фототока будут скомпенсированы.

Если же изменится площадь поперечного сечения струи 4, то это также не приведет к заметному изменению результата, так как при этом яркости свечения струи 4 в местах расположения групп фотоприемников 7 и 8 изменятся одинаково, а это не вызовет изменения результата R при логометрическом принципе измерения (нахождения отношения согласно (1.1)).

Группы фотоприемников 7 и 8 должны быть разнесены друг от друга на такое расстояние, чтобы сигналы U₁ и U₂ на выходах усилителей 9 и 10 в достаточной степени отличались друг от друга при изменении мутности во всем возможном диапазоне. Опытным путем установлено, что для этого группы фотоприемников 7 и 8 должны быть разнесены на расстояние, в 2-5 раз превышающее диаметр струи 4 (в зависимости от диапазона возможных значений мутности).

При практической реализации устройства не предполагается использование дорогих и дефицитных элементов. Излучатель 6 представляет собой светодиод достаточной мощности и с достаточно узкой угловой апертурой излучения или лазер. Предпочтительным частотным диапазоном излучателя является диапазон красного или инфракрасного излучения. В качестве фотоприемников групп 7, 8 лучше всего использовать фотодиоды, например ФД256. Количество фотоприемников предпочтительно выбирать от трех и более. Усилители 9 и 10 могут быть выполнены на базе операционных усилителей, включенных по схеме преобразователей ток - напряжение, которая хорошо известна в электронике [Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высшая школа, 1991, c.404]. Контроллер 11 может быть выполнен на основе одного из широко распространенных программируемых PIC-контроллеров фирмы MicroChip. Дренажная система 5 может состоять из нескольких элементов (например, водосборных желобов, трубочек, воронок и т.п.), которые в совокупности выполняют функцию сбора и отвода жидкости.

Описанное устройство обладает следующими преимуществами по сравнению с прототипом:

- более высокими чувствительностью и разрешающей способностью за счет получения нефелометрического сигнала интегрально вокруг подсвечиваемой струи, и, как следствие, более высокой точностью определения мутности;

- повышенной метрологической надежностью, так как различные случайные искривления струи не изменяют суммарный фототок в каждой группе, а влияние запотевания или забрызгивания излучателя и фотоприемников сводится к минимуму за счет логометрического принципа вычисления результата - путем нахождения отношения фототоков групп фотоприемников.

Использование: мутномер может быть использован для непрерывного контроля качества воды или других жидкостей, измерения концентрации эмульсий и суспензий. Сущность изобретения: устройство содержит открытый сверху основной сосуд 1, имеющий патрубок 2 в нижней боковой части для подачи жидкости и сливную горловину 3 в дне для формирования свободно падающей равномерной струи 4, дренажную систему 5 для отвода утекающей жидкости, излучатель 6, просвечивающий падающую струю 4, которую охватывают две одинаковые разнесенные группы фотоприемников 7 и 8, причем фотоприемники в группах соединены параллельно и подключены ко входам соответствующих усилителей 9 и 10, все фотоприемники направлены на струю и распределены равномерно по окружности, охватывающей эту струю. Выходы усилителей 9 и 10 соединены с соответствующими входами контроллера 11, а управляющий выход контроллера 11 подключен к излучателю 6. Суммирование фототоков фотоприемников, расположенных по окружности вокруг струи, позволяет существенно увеличить чувствительность и точность мутномера, а различные случайные искривления струи не изменяют суммарный фототок в каждой группе. Вычисление результата включает в себя нахождения отношения фототоков групп фотоприемников 7 и 8. Достигаемым техническим результатом является повышение точности и метрологической надежности мутномера. 2 ил.

Бесконтактный мутномер, содержащий открытый сверху основной сосуд, имеющий патрубок в нижней боковой части для подачи жидкости и сливную горловину в дне для формирования свободно падающей равномерной струи, дренажную систему для отвода жидкости, переливающейся через верх основного сосуда и утекающей в виде падающей струи, излучатель, расположенный над поверхностью жидкости и просвечивающий сверху падающую струю, рядом с которой установлено фотоприемное устройство, а также контроллер для управления и обработки сигналов, отличающийся тем, что фотоприемное устройство выполнено в виде двух одинаковых групп фотоприемников, направленных на струю и распределенных равномерно по окружности, охватывающей эту струю, причем группы фотоприемников разнесены друг от друга на расстояние, в 2-5 раз превышающее диаметр струи, фотоприемники в первой и второй группах соединены параллельно и подключены ко входам соответственно первого и второго усилителей, выходы которых соединены с соответствующими входами контроллера, а управляющий выход контроллера подключен к излучателю.