Устройство для измерения концентрации нефти в воде Советский патент 1988 года по МПК G01N21/59 

10Э

У

ы

Фаг.

143

аналогового преобразователя (ДАЛ) и восьмиразрядного счетчика. Каждый ЦА11 связан с триггером 21, Входы установки и сброса триггера связаны со схемой 20 задержки и компаратором 24, Настройка схемы задержки осуществляется путем замыкания переключателя 19 калибровки при необходимости калибровки схем. Один выход схемы задержки приводит в действие струйный клапан для подачи в ячейку чистой воды. По истечении заданного периода времени схема задержки отсекает поток чистой воды и вьщает импульс сброса счетчиков для установки триггерао

При этом отпирается схема И, позволяя поступающим от мультивибратора с двумя квазиустойчивыми состояниями импульсам синхронизировать счетчики. Выходной сигнал ЦА11 схемы может расти до уровня 0,2 В, после чего компаратор изменяет состояние и перебрасывает триггер для прерывания поступления импульсов в счетчики. Таким образом, на логарифмическом усилителе 25 постоянное напряжение нуль нефти. После этого регулируется усиление канала рассеянного света вместе с усилением канала нерассеянного света, 5 ил.

Изобретение относится к оптиче с- кнм методам измерения и может быть использовано для измерения концентрации нефти в воде. Цель изобретения - повьшение точности измерений. Схема автоматического управления усилением содержит две входные схемы 17 и 18, каждая из которых состоит из цифре

1

Изобретение относится к области оптических методов измерения и может быть использовано для измерения концентрации масла в воде с использова- кием рассеянного излучения.

Цель изобретения - повьшение точности измерений,

На фиг,1 схематически показана в разобранном виде камера рассеянного излучения, используемая в устройстве для обнаружения и измерения концентрций масла; на фиг,2 - траектории изл чения, проходящего через камеру; на фиг,3 - частотная характеристика де- TeKTOpaj на фиг,4 - усилитель и компановка схем регулирования усиления детекторного устройства; на фиг,5 - блок-схема цепи, изображенной на фиг,4,

Устройство монтируется вокруг камеры рассеянного излучения, содержащей центральный кольцевой корпус 1, к которому через прокладки 2 крепятся патрубки 3, имеющие вид усеченного конуса. Световой луч, например, из лазера на арсениде гапия (не показан) направляют через первое оптическое волокно 4 во входное отверстие 5 камеры и через выходные отверстия 6 и 7 к волокнам 8 и 9, которые в свою очередь соединены с фотодетекторами. Изогнутая во внутрь камеры пластина 10 коллимирует световой

Q 5 0

5

0

5

луч на входе в камеру с тем, чтобы уменьшить число ложных отражений.

Световой луч (фиг,2), выходящий из отверстия 5 и входящий во входное отверстие 6, детектируется как прямой сигнал и к выходному отверстию 7 направляется под углом oi к траектории светового луча.

Схематически изображенные на фиг,3 кривые показывают типичные характеристики для детекторов,соединенных с отверстиями 6 и 7 соответственно. При наличии в воде капелек масла интенсивность прямого луча 1I в логарифмическом масштабе снижается, Рассеянное излучение I2 сначала усиливается и при более высоких уровнях концентрации масла оно достигает максимума, а затем ослабевает,

В предлагаемом устройстве этот максимум достигается при детектировании уровня концентрации, определяемого 300-400 ч. масла на 1 млн. i I - .

Выходное рассеянно.е излучение меньше.подвержено влиянию давления твердых загрязняющих веществ например ржавчикы или песка, чем прямое выходное излучение. Если, например, через систему пропустить 1000 ч. ржавчины на 1 млн, с размером частицы в 4 мкм, то прямой луч зарегистрирует величину, соответствующую 300 ч, на 1 млн. в выходное рассеянное излучение зарегистрирует только 159 ч, на

1 млн. Таким образом, использованием выходного рассеянного излучения для определения низких уровней концентра- щи масла и сведением тем самым к минимуму влияния песка и ржавчины достигают значительного преимущества

Чтобы охватить диапазон уровней концентрации масла, составляющий 1000 ч, на 1 млн., необходимо создать такую схему, чтобы режим детектирования можно было переключать с детектирования посредством прямого излучения на детектирование посредством рассеянного излучения. Таким образом, используют линейное усиление выходного излучения, но когда поглощение света капельками масла оказывается интенсивнее действия рассеянного излучения и выходное излучение достига- ет своего максимума, тогда осуществляют переключение на детектирование посредством прямого излучения. Затухающий прямой луч линеаризуют, используя логарифмический усилитель.

Обычно при способах, предусматривающих контактирование оптических окон с содержащей масло водой, особенность измерений состоит в том, что окна загрязняются и потому требуют изменения калибровки системы, В таких случаях осуществляют непрерывное контролирование сигнала, получаемого от прямого излучения, и это вьшолняют с целью динамической компенсации сигнала, получаемого из детектора рассеянного излучения. При высоких уровнях концентрации масла предельное ослабление излучения ведет к получению большой степени нелинейности выходного сигнала. Изобретение сводит этот недостаток к минимуму благодаря использованию схемы автоматического регулирования усиления (АРУ), которая функционирует только тогда, когда в системе содержится чистая вода.

Это можно продемонстрировать уравнением, определяющим спектральную поглощающую способность А жидкости, содержащейся в камере:

А log ,

где

1о входное излучение; выходное излучение,

1 - Если значение 1

стоянным, а значение

поддерживать по- А пропорциональным уровню.концентрации масла С, тогда

5

s 0

0

С К log 1/1, где К - константа.

Следовательно, для получения на выходе показаний степени концентрации масла сигнал прямого излучения необходимо подать на усилитель, имеющий логарифмическую характеристику. Кроме того, поскольку окна загрязняются, система усиления рассеянного излучения регулирует работу усилителей сигналов так, чтобы они обеспечивали получение одинаковых характеристик чувствительности,

Устройство содержит фотодетекторы 13 и 14 с усилителями, систему 15 томатической регулировки усиления и твердотельньш лазер 16 со связанной с ним цепью синхронизации. Управление цепью детекторов осуществляют с помощью системы автоматической регулировки усиления.

Главными элементами системы АРУ являются две входные схемы 17 и 18, содержащие цифроаналоговые преобразователи и счетчики. Для этой цели может использоваться интегральная схема типа Z № 425Е (выполненная фирмой Ферранти лтд) с добавлением к ней 8-битового счетного устройства. Выходной сигнал преобразователя определяется формулой:

. 256

g где Uon;, напряжение опорного источника;п - число импульсов (до 256) на

входе счетного устройства. Когда требуется произвести калибровку схемы, переключатель 19 включают, замыкая цепь 20 задержки, которая может быть представлена устройством Е555, один выход которого соединяют с промывочным клапаном (не показан), осуществляющим подачу чистой воды в камеру. После проьывки камеры чистой водой, продолжавшейся в течение заданного периода времени, например в течение 3 мин, схема задержки задерживает отключение подачи чистой воды и генерирование выходного импульса с целью переустановки счетчиков в схеме 18 и включения триггера 21, содержащего четырехвходовую логичесg кую ячейку И, Это поз воляет с помощью импульсов, выходящих из генератора 22 тактовой частоты, представленного автоколебательным мультивибратором, осуществлять синхрониза0

5

0

ДИК) счетчиков схем 17 и 18. Напряжение выходного импульса схемы 17 повышают до 0,2В и через буферный усилитель 23 подают на вход компаратора 24 на операционном усилителе, который изменяет свое состояние, переключая триггер 21 и прерывая тем самым дальнейшую подачу импульсов в схемы 17 и 18, При помопщ этого средства через линейный усилитель 25 на логарифмический усилитель 26 подается напряжение, соответствующее нулевому уровню концентрации масла,

Усиление канала рассеянного излучения регулируется усилителем 27 с регулируемым порогом, на который поступает сигнал со схемы 18 через буферный усилитель 28 совместно с каналом прямого излучения. В случае, ког- 20 лом детектора, принимающего излуче|.да Отверстия камеры загрязняются так, что напряжение входного сигнала прямого излучения составляет менее

0,2 В, компаратор 24 не изменяет свое; го состояния И триггер 21 не переклю- ; чается, но через выходной транзистор ; 29 включается сигнальыая лампочка.

; Управляющая схема, включающая уси- ; лители 30-32, управляет переключе- I нием диапазонов устройства через ме- 1 ханическое реле 33 при уровне концент-. рации масла около 200 ч. на млн, В некоторых случаях дпя переключения диапазонов может быть применен твердотельный переключатель, однако из- за недостаточной надежности существую- щи х устройств CMOS и селективной сложности переключателя, использующего обычные оперативные усилители,

45

предпочтительным является использова- дд тем, чтобы получить сигнал, необходимый для усиления или ослабления входного излучения лазера, так как устройство с течением срока службы и из-за температурных воздействий стареет,

В корпусе лазера может быть установлена пластина кремниевого детектора для обеспечения управляющего сигнала.

Формула изобретения

ние механическрго реле, которому свойственна высокая надежность,

Проверка калибровки усилителя 27 рассеянного излучения, не может быть произведена, например, путем ввода в траекторию излучения фильтра, соответствующего заданному уровню концентрации масла. Это объясняется тем, что, в ртличие от случая траектории 1прямого сигнала, сигнал, выходящий ИЗ детектора рассеяннбго излучения будет нулевым, если в воде отсутствует масло. Следовательно, чтобы произвести проверку правильности калибров- ки системы, с помощью переключателя 34 калибровки часть сигнала прямого излучения через схему 38 подают на вход системы усиления рассеянного излучения. Результирующий выходной сиг50

Устройство для измерения концент- gg рации нефти в воде, содержащее источник светового луча, камеры с одним оптическим окном для ввода светового луча и двумя выходными оптическими окнами, оптически связанными через

нал должен быть постоянным, если калибровка правильная.

Выходы 35 и 36 усилителей сигналов прямого и рассеянного излучений соединены соответственно с переключаемыми контактами реле, выход которого связан с буферным выходным усилителем 37, питающим самопишущий прибор 39 или индикатор (не показан).

В некоторых случаях желательно, чтобы камера бьша снабжена еще одним выходным отверстием (не показано) с тем, чтобы излучение было рассеяно под углом большим, чем тот, который показан на фиг.2, Выходной сигнал дополнительного детектора, соединенного с упомянутым дополнительным выходным отверстием, сравнивают с сигна5

ние, рассеянное под углом об . Таким образом достигают существенного уменьшения влияния твердых загрязняющих частиц.

Предпочтительным источником излучения для детекторного устройства является лазер на арсениде галия, длина волны излучения которого лежит в области инфракрасного спектра вне пределов полосы поглощения воды. Этот лазер совместно с высокоскоростными кремниевыми фотодетекторами об-, разует очень стабильную систему с низким уровнем шума. Управление ла зе- 5 ром может осуществляться отдельной системой, посредством которой излучение получают через, оптическое волокно отдельно из передней или задней части лазера и измеряют его с

0

Устройство для измерения концент- gg рации нефти в воде, содержащее источник светового луча, камеры с одним оптическим окном для ввода светового луча и двумя выходными оптическими окнами, оптически связанными через

7

световоды одно с приемником прямо прошедшего светового луча, другое - с приемником рассеянного светового луча, при этом приемники выполнены с возможностью преобразования падающего светового луча в сигнал напряжения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в устройство введены две входные схемы, каждая из которых состоит из цифро- аналогового преобразователя и счетчика, имеющего п выходов, соединенных

14

с п входами цифроаналогового преобразователя, вход возврата в исходное состояние и вход тактовых импульсов, триггер с тремя входами и двумя выхо- ДЙ.МИ, три усилителя, компаратор, источник опорного напряжения, источник тактовых импульсов, схема задержки, переключатель калибровки, логарифмический усилитель, усилитель с регулируемым порогом, переключающее реле с тремя контактами, управляющая схема и выходной буферный усилитель, при этом вход первой входной схемы соединен с выходрм приемника прямо прошедшего светового луча, а вход второй - с выходом приемника рассеянного светового луча, первый выход триггера

с , , ig - 20а 25 зо

4368938

соединен с входами возврата в исходное состояние счетчиков входных схем, а второй выход - с входами тактовых импульсов этих счетчиков, вход первого усилителя соединен с выходом первой входной схемы, первый вход компаратора - с выходом первого усилителя, второй.его вход - с источником 10 опорного напряжения, а выход - с первым входом триггера, второй и третий входы которого соединены соответственно с источником тактовых импульсов и выходом схемы задержки, вход которой соединен с переключателем калибровки, вход второго усилителя соединен с выходом первого усилителя, а выход его - с входом логарифмического усилителя, вход третьего усилителя соединен с выходом второй входной схемы, а вы.ход его - с входом усилителя с регулируемым порогом, первьш контакт переключающего реле оперативно соединен с выходом логарифмического усилителя, второй контакт - с выходом усилителя с регулируемым порогом, третий контакт - с входом выходного буферного усилителя, выход управляющей схемы соединен с обмоткой переключающего реле.

фиг.2

чг.З

фиг,5