УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА ВОДЫ Российский патент 2011 года по МПК G01N15/04 G01N27/26 

Изобретение относится к устройствам для анализа воды по следующим характеристикам: мутности, цветности, температуре, результатам седиментационного анализа, электропроводности, вязкости, электрофоретической подвижности, дзета-потенциалу частиц взвеси, химической потребности в кислороде, содержанию хлора, водородному показателю и редокс-потенциалу и может быть использовано для мониторинга водных объектов, технического и питьевого водоснабжения.

Известно устройство, обеспечивающее седиментационный анализ воды и измерение ее мутности [1]. В этом устройстве производятся просвечивание стационарного объема прозрачной дисперсионной среды (воды) световым потоком в направлении оседания частиц и регистрация светового потока в направлении оседания, а также, через определенный промежуток времени после начала измерения, по меньшей мере в трех уровнях, рассеянного частицами света в направлении, перпендикулярном движению частиц. На основании полученных результатов рассчитываются скорость седиментации частиц и мутность воды. Основными недостатками этого устройства являются: малое количество контролируемых характеристик одной и той же пробы воды, отсутствие функциональных возможностей выбора режимов и обеспечения необходимой точности измерений, а также ограничения, связанные с невозможностью проведения анализа вод большой мутности.

Известно также устройство для анализа воды по показателям седиментационного анализа и мутности, в котором на контролируемую среду воздействуют однородным электрическим полем в направлении, совпадающем с направлением оседания частиц на чашечку торзионных весов [2]. Основными недостатками этого устройства являются: малое количество контролируемых характеристик одной и той же пробы, а также отсутствие функциональных возможностей выбора режимов измерений.

Наиболее близким к изобретению является устройство для анализа воды, которое позволяет выполнить анализ одной и той же пробы воды в автоматическом режиме по мутности, электропроводности, вязкости электрофоретической подвижности, дзета-потенциалу взвеси, получить седиментационные характеристики этой взвеси [3]. Основными недостатками этого устройства являются: малое количество контролируемых характеристик для общей оценки качества воды, а также отсутствие функциональных возможностей выбора режимов и обеспечения необходимой точности измерений.

Целью изобретения является создание устройства для анализа воды, позволяющего выполнять анализы одной и той же пробы воды в автоматическом режиме по расширенному набору характеристик: мутности, цветности, температуре, седиментационному анализу взвеси, электропроводности, вязкости, электрофоретической подвижности, дзета-потенциалу частиц взвеси, химической потребности в кислороде, содержанию хлора, водородному показателю и редокс-потенциалу, с использованием функциональных возможностей выбора режимов измерений и обеспечения необходимой точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для анализа воды, содержащее корпус и расположенный в нем измерительный цилиндр с устройствами для очистки его стенок и дна, источник света, не менее трех фотоприемников, фиксирующих свет, отраженный частицами взвеси, фотоприемник, фиксирующий световой поток, прошедший анализируемую среду, термометр сопротивления, датчик заполнения водой, входные и выходные патрубки с электромагнитными клапанами, два кольцевых электрода и блок управления, дополнительно содержит два измерительных цилиндра, расположенных в том же корпусе, в нижней части которых имеются чашечки высокоточных весов, причем корпус дополнительно содержит измерительный электрод из графита, сравнительный электрод из меди, вспомогательный электрод из нержавеющей стали, комбинированный pH-электрод и комбинированный редокс-электрод, а источник света снабжен светофильтрами с длинами волн 380, 400, 410, 500 и 800 нм.

Расположение в одном корпусе трех измерительных цилиндров позволяет выполнить анализ одной и той же пробы воды в автоматическом режиме по расширенному набору характеристик, которые в совокупности дают возможность получить широкую информацию о качестве воды. Объем этой информации, получаемой за короткие промежутки времени через небольшие интервалы, является достаточным для принятия оперативных решений о регулировании технологии очистки воды и о возможностях ее использования. Кроме того, такое расположение дает возможность ускорить процесс измерений, так как ряд показателей можно контролировать одновременно. Увеличение количества цилиндров создает возможности повысить точность измерений, в частности оптических, так как в данном случае отпадает необходимость размещать в «оптическом» цилиндре кольцевые электроды, которые при создании между ними однородной разности потенциалов, уменьшают точность измерения оптических характеристик.

Расположение в нижней части «неоптических» цилиндров чашечек высокоточных весов при наличии кольцевых электродов в верхней и нижней частях одного из них, позволяет производить с высокой точностью седиментационный анализ, определение электрофоретической подвижности, мутности, электропроводности и дзета-потенциала, что, в свою очередь, расширяет функциональные возможности выбора режимов измерений. В частности, можно производить седиментационный анализ и измерять мутность воды двумя способами: один оптический - ускоренный, продолжительность которого может занимать несколько секунд, а другой - «весовой», который, в зависимости от требуемой точности измерений, может осуществляться в течение примерно десяти минут или менее.

Расположение в корпусе между его стенками и стенками цилиндров измерительного электрода из графита, сравнительного электрода из меди, вспомогательного электрода из нержавеющей стали, комбинированного pH-электрода и комбинированного редокс-электрода также позволяет выполнить анализ одной и той же пробы воды в автоматическом режиме по расширенному набору характеристик, к которым относятся: содержание хлора в воде, водородный показатель и редокс-потенциал.

Обеспечение источника света светофильтрами с длинами волн 380, 400, 410, 500 и 800 нм также позволяет выполнить анализ одной и той же пробы воды в автоматическом режиме по расширенному набору характеристик, к которым относятся химическая потребность в кислороде и цветность воды. При этом также обеспечивается расширение функциональных возможностей выбора режимов измерений, в частности при определении цветности имеется возможность производить измерения двумя способами: по хром-кобальтовой шкале цветности, используя светофильтр 380 нм, и платино-кобальтовой шкале цветности при светофильтре 410 нм.

На фиг.1 представлена общая схема устройства для анализа воды; на фиг.2 - схема расположения цилиндров и комбинированных электродов в плане и вертикальных разрезах.

Устройство для анализа воды на фиг.1 и 2 состоит из цилиндрического корпуса 1, внутри которого расположены измерительные цилиндры 2, 3 и 4, причем корпус и цилиндры выполнены из электронепроводящего материала, а стенки и дно цилидра 3 - прозрачные; в стенки цилиндра 3 встроены, по меньшей мере в трех уровнях, фотоприемники 5, регистрирующие рассеянный частицами свет в направлении, перпендикулярном движению оседающих частиц, а в дно этого цилиндра встроен фотоприемник 6 для регистрации светового потока в направлении оседания частиц. Устройство также содержит электромагнитные клапаны 7 и 8, соответственно на трубах подачи 9 и отвода воды 10; два электрода 11 и 11, расположенные в верхней и нижней частях цилиндра 2 для создания постоянного электрического поля; три электрода: измерительный 12 из графита, сравнительный 13 из меди и вспомогательный 14 из нержавеющей стали, расположенные в пространстве между стенками корпуса 1 и цилиндров 2 и 4; комбинированный pH-электрод 15, расположенный в пространстве между стенками корпуса 1 и цилиндров 2 и 3, комбинированный редокс-электрод 16, расположенный в пространстве между стенками корпуса 1 и цилиндров 3 и 4; источник света 17; набор из пяти светофильтров 18 для создания света с длинами волн 380, 400, 410, 500 и 800 нм; две чашечки 19, являющихся чувствительными элементами высокоточных весов, расположенные в нижних частях цилиндров 2 и 4; термометр сопротивления 20; датчик наполнения 21; блок управления 22; энергонезависимую память 23; передатчик 24 и источник постоянного тока 25. Все измерительные цилиндры имеют крышки с перфорацией 26, через которые происходит их равномерное заполнение. Для отвода воды из цилиндров 2, 3 и 4 в трубу 10 предусмотрены трубы 27.

Устройство работает следующим образом:

В соответствии с технологическим регламентом эксплуатации устройства в блок управления введены следующие уставки:

- выбор режима измерений;

- интервал времени между циклами измерений;

- градуировочная характеристика, установленная для водных растворов платино-кобальтовой шкалы цветности [4];

- градуировочная характеристика, установленная для водных растворов хром-кобальтовой шкалы цветности [4];

- константа сосуда (цилиндра 2) [3];

- температурные поправки [3].

Уставка «выбор режима измерений» предусматривает возможность установки режимов по отдельным показателям качества воды, комплексных режимов и полного режима.

К режимам по отдельным показателям, например, относятся: определение мутности воды оптическим методом; седиментационный анализ с определением мутности оптическим методом; определение химической потребности в кислороде; определение pH; определение содержания хлора; определение температуры; определение электропроводности; определение цветности фотометрическим методом по платино-кобальтовой шкале; определение цветности фотометрическим методом по хром-кобальтовой шкале.

К комплексным режимам, например, относятся: определение температуры - вязкости, - электрофоретической подвижности - седиментационный анализ -вычисление дзета-потенциала; определение цветности двумя способами.

Имеется также возможность выбора комплексных режимов по наборам отдельных показателей.

Полный режим измерений предусматривает определение всех двенадцати показателей качества воды с использованием «дублирующих» способов по определению мутности, цветности и седиментационному анализу.

По сигналу блока управления 22 открывается клапан 7 на трубе подачи воды, начинает заполняться корпус 1. Когда вода поднимается на высоту измерительных цилиндров 2, 3 и 4, начинается их заполнение через крышки с перфорацией. После заполнения измерительных цилиндров 2, 3 и 4 вода поднимается выше в корпусе 1 и достигает датчика наполнения 21, по сигналу которого блок управления обеспечивает закрытие электромагнитного клапана 7. Подача воды прекращается. Таким образом, в корпусе и измерительных цилиндрах устанавливаются стационарные объемы воды.

При полном режиме измерений по сигналу блока управления 22 включается источник света 17, такое включение осуществляется заранее, чтобы сила света данного источника стабилизировалась. Одновременно начинаются измерения во всех трех цилиндрах. При помощи термометра сопротивления 20 измеряется температура пробы воды. По величине температуры блок управления 22 определяет динамическую вязкость воды [7] по формуле

где t - температура воды, °С.

Полученные данные блок управления 22 отправляет в энергонезависимую память 23. В цилиндре 2 при помощи электродов 11 создается постоянное электрическое поле, одновременно с включением электродов 11 в блоке управления 22 включается таймер. Под цилиндрами 2 и 4 весы измеряют массу оседающих на соответствующие чашечки частиц, эти данные непрерывно поступают в блок 22, который фиксирует изменение массы во времени и по заранее заданному алгоритму строит седиментационные кривые I и II [2]. Под действием постоянного электрического поля частицы в цилиндре 2 оседают быстрее, чем в цилиндре 4, следовательно, кривая I «выпрямляется» раньше, чем кривая II. После ее выпрямления блок 22 выключает таймер. По данным весов 19 в цилиндре 2 определяется мутность. Данные о седиментационных кривых и мутности записываются в энергонезависимой памяти. Сравнивая две полученные седиментационные кривые, блок 22 по заранее заданному алгоритму определяет электрофоретическую подвижность и дзета-потенциал. Эти два показателя сохраняются в энергонезависимой памяти 23 устройства. На этом измерения в двух цилиндрах 2 и 4 окончены. После выключения таймера в блоке 22 определяется удельное сопротивление и вычисляется электропроводность воды по методике, приведенной в [3]. Одновременно с началом измерений в цилиндрах 2 и 4 в цилиндре 3 начинается измерение химической потребности в кислороде (ХПК) [5]. Через светофильтр проходит свет с длиной волны 400 нм, фотоприемник фиксирует силу этого света, прошедшего через пробу. Свет выключается, происходит смена светофильтра с 400 нм на 500 нм. Измерения повторяются при данной длине волны. Затем светофильтр меняется с 500 нм на 800 нм. Измерения повторяются. По трем измерениям фотоприемника определяется показатель поглощения света при разных длинах волн, по этим данным блок 22 вычисляет ХПК. Затем в этом же цилиндре начинается измерение цветности с использованием светофильтров на 380 и 410 нм [4].

Одновременно в цилиндре-корпусе 1 начинается измерение pH [8], а затем редокс-потенциала [9] при помощи комбинированных pH- и редокс-электродов [10]. После этого производится измерение остаточного хлора при помощи измерительного, сравнительного и вспомогательного электродов, расположенных в цилиндре-корпусе 1 [6]. Между измерительным электродом 12 из графита и вспомогательным электродом 14 из нержавеющей стали подается постоянное напряжение таким образом, чтобы потенциал измерительного электрода 12 из графита относительно сравнительного электрода 13 из меди был в пределах от +150 до -200 мВ (при концентрации хлора в воде от 0 до 5 мг/л). При этих условиях величина тока, протекающего между электродами измерительным 12 и вспомогательным 14, прямо пропорционально зависит от концентрации остаточного хлора в воде.

Полученные данные по ХПК, цветности, редокс-потенциалу, pH и остаточному хлору сохраняются в энергонезависимой памяти.

Блок управления 22, считывая из памяти все полученные данные, отправляет их с помощью передатчика на заранее заданное внешнее устройство (например, компьютер).

По сигналу блока управления 22 открывается электромагнитный клапан 8 на трубе отвода воды 10 и происходит опорожнение всех цилиндров. Затем клапан 8 закрывается.

По сравнению с прототипом устройство по изобретению обладает следующими преимуществами:

- расширяется набор показателей, характеризующих качество природной и очищаемой воды;

- расширяются функциональные возможности устройства, обеспечивающие широкий выбор режимов измерений и необходимую точность.

Изобретение можно использовать для мониторинга водных объектов, технического и питьевого водоснабжения.

Устройство может быть заводского серийного изготовления.

ЛИТЕРАТУРА

1. Способ седиментационного анализа частиц в прозрачной дисперсной среде. А.С. SU 1226174. Опубл. 23.04.86. Бюл. №15.

2. Способ седиментационного анализа дисперсных систем. А.С. SU 1363020. Опубл. 30.12.87. Бюл №48.

3. Устройство для анализа воды. Патент RU 2132049. Опубл. 20.06.99. Бюл №17.

4. ГОСТ Р 52769-2007. ВОДА. Методы определения цветности. Москва. Стандартинформ. 2007.

5. Оптический способ определения химического потребления кислорода в природных водах. Патент RU 2087901. Опубл. 20.08.97. Бюл. №06.

6. Амперометрический способ определения остаточного хлора в воде. Патент RU 2163375. Опубл. 20.02.01. Бюл. №07.

7. http://www.msuee.ru/html2/med_gidr/13_4.html.

8. Васильев В.П. Аналитическая химия. В 2 кн. Кн. 2: Физико-химические методы анализа: учеб. для студ. вузов, обучающихся по химико-технол. спец. / В.П.Васильев. - 5-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2005. - 383, [1] с.: ил. (стр.179-181, 190-194).

9. Возная Н.Ф. Химия воды и микробиология: учеб. пособие для вузов / 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 1979. - 340 с., ил. (стр.113-116).

10. http://www.izmteh.ru/catalog/el.php.

Устройство может быть использовано для технологических измерений в системах водоподготовки и для мониторинга водных объектов. Устройство для анализа воды содержит корпус и расположенный в нем измерительный цилиндр. Также устройство содержит источник света, не менее трех фотоприемников, фиксирующих свет, отраженный частицами взвеси, фотоприемник, фиксирующий световой поток, прошедший анализируемую среду. Кроме того, устройство содержит термометр сопротивления, датчик заполнения водой, входные и выходные патрубки с электромагнитными клапанами, два кольцевых электрода и блок управления. При этом указанное устройство дополнительно содержит два измерительных цилиндра, расположенных в том же корпусе, в нижней части которых имеются чашечки высокоточных весов. Причем корпус дополнительно содержит измерительный электрод из графита, сравнительный электрод из меди, вспомогательный электрод из нержавеющей стали, комбинированный рН-электрод и комбинированный редокс-электрод. При этом источник света снабжен светофильтрами с длинами волн 380, 400, 410, 500 и 800 нм.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения, а также обеспечение в автоматическом режиме выполнять анализ одной и той же пробы воды по расширенным наборам показателей с использованием функциональных возможностей выбора режимов измерений. 2 ил.

Устройство для анализа воды, содержащее корпус и расположенный в нем измерительный цилиндр, источник света, не менее трех фотоприемников, фиксирующих свет, отраженный частицами взвеси, фотоприемник, фиксирующий световой поток, прошедший анализируемую среду, термометр сопротивления, датчик заполнения водой, входные и выходные патрубки с электромагнитными клапанами, два кольцевых электрода и блок управления, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит два измерительных цилиндра, расположенных в том же корпусе, в нижней части которых имеются чашечки высокоточных весов, причем корпус дополнительно содержит измерительный электрод из графита, сравнительный электрод из меди, вспомогательный электрод из нержавеющей стали, комбинированный рН-электрод и комбинированный редокс-электрод, а источник света снабжен светофильтрами с длинами волн 380, 400, 410, 500 и 800 нм.