Поточный измеритель концентрации взвешенной фазы в жидкой среде
Использование: устройство может быть использовано для непрерывного контроля качества воды и других жидкостей, измерения концентрации эмульсий и суспензий. Сущность изобретения: устройство содержит излучатель, установленный в стенке измерительной камеры, и фотоприемник, возвратно-периодически перемещаемый по окружности с помощью реверсивного двигателя в плоскости луча излучателя. Двигатель снабжен поворотным шифратором. Управление излучателем и двигателем, а также обработка сигналов фотоприемника и шифратора осуществляется специальным контроллером. Сигналы фотоприемника» соответствующие интенсивностям рассеяния излучения при разных углах поворота, используются для вычисления концентрации взвешенных частиц по специальной формуле. Результат не зависит от дисперсности частиц, нестабильности излучателя и степени загрязнения излучателя и фотоприемника.
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для непрерывного контроля качества воды, экологического мониторинга, измерения концентрации эмульсии и суспензий.
Фотоэлектрические устройства для измерения концентрации взвешенной фазы в жидких средах, как правило, представляют собой оптические турбидиметры или нефелометры [Андреев B.C., Попсчителев Е.П. Лабораторные приборы для исследования жидких сред. - Л.: Машиностроение. - 1981. -С.99-101].
Недостатком многих из них является загрязнение прозрачных окон излучателей и приемников, непосредственно соприкасающихся с контролируемой средой, вследствие чего погрешности измерения становятся большими, либо вообще нарушается работоспособность прибора. Существуют различные способы минимизации влияния данного фактора» например: применение механических очистителей, применение разогрева стекол, нанесение специальных антиадгезионных покрытий и т.д. [Беляков В.Л. Автоматизация промысловой подготовки нефти и воды. - М.: Недра. _ 1988. - С.133]. Все они сложны и неэффективны.
Радикальным средством повышения метрологической надежности таких концешратомеров является применение логометрического принципа измерений [Фетисов B.C., Валеев В.Т. Логометрический принцип построения поточных мутномеров // Экологические системы и приборы. -
2002. - №2. - С.6-7], согласно которому осуществляется переход от измерений абсолютных значений величин к измерениям их отношений, которые свободны от многих нестабильных составляющих (в частности, от степени загрязнения окон и нестабильности излучателя). Причем лучше, если логометрический принцип реализуется с одной парой «излучатель-приемник» и вариацией т.н. параметра разделения [Беляков В.Л. Автомагический контроль параметров нефтяных эмульсий. - М.: Недра, 1992, с.146], - т.е. такого параметра, два достаточно сильно различающиеся значения которого соответствуют различным сигналам приемника, которые можно включить в логометрическое отношение; например, в оптических концентрагомерах на базе турбидиметров или нефелометров таким параметром разделения может быть расстояние между приемником и излучателем, угол между их осями направленного действия, длина волны излучения и др.; часто для реализации такого рода логометрических отношений вводят в конструкцию датчика подвижные элементы, как это сделано в турбидиметре [Фетисов B.C., Валеев В.Т. Логометрический принцип построения поточных мутномеров // Экологические системы и приборы. - 2002. - №2. - С.6-7]; но преимуществом такого рода реализации является использование одной и той же пары «излучатель-приемник» для формирования обоих сигналов; при этом на результат не влияют даже сильные загрязнения окон.
Однако при измерениях концентрации взвешенной фазы в жидкостях на результат сильное влияние оказывает также дисперсность этой фазы, т.е.
средний размер частиц. Известно, что этот фактор сильно влияет на угловое распределение интенсивности рассеиваемого излучения [Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1989, С.201]. Следовательно, инвариантные измерения концентрации частиц возможны, если измерять интенсивность излучения, рассеянного под различными углами, а затем вычислять концентрацию (а если нужно, и дисперсность) по градуировочным зависимостям. На таком принципе основан, например, анализатор микрочастиц «Ласка-2К» российской фирмы «ЛЮМЭКС» [Лазерный анализатор микрочастиц «Ласка-2К»: Рекламный проспект НПФ «ЛЮМЭКС», 2003. (доступно на сайге http://www.luniex.ru/ rus/product/41.html)]. В этом устройстве излучатель просвечивает измерительную кювету с образцом жидкости. Напротив кюветы, по пути распространения луча, расположена линейка фотоприемников, каждый элемент которой воспринимает рассеянное под определенным углом излучение. Сигналы с фотолриемников поступают на измерительную схему. Однако это устройство плохо приспособлено к непрерывным поточным измерениям, т.к. загрязнения прозрачной кюветы приведут к погрешностям измерений.
Наиболее близким по функциональным и конструктивным признакам к предлагаемому устройству является фотоэлектрическое устройство [Заявка на патент РФ №92014796. Фотоэлектрическое устройство для измерения размеров и числа частиц в жидкостях или газах / Воронов А.Ф., Логвинов Л.М., опубл. 27.02.1995, G 01 N 15/02], содержащее излучатель,
фотоприемное устройство, измерительную камеру и конгроддер, причем измерительная камера размещена между излучателем и фотоприемным устройством, а фотоприемное устройство состоит из множества распределенных фотоприемников, соединенных с контроллером. Свет от излучателя направляется в измерительную камеру с протекающей жидкостью и рассеивается по различным направлениям. Распределение интенсивности рассеяния по углам фиксируется фотоприемным устройством, сигналы которого служат основой для вычисления концентрации контроллером.
Однако, метрологическая надежность данного устройства невысока из-за возможных неравномерных загрязнений стенок измерительной камеры и нарушения равенства прозрачности оптических каналов для каждого фотоприемника. Этот недостаток особенно сказывается при липкой дисперсной фазе.
Задача, решаемая в полезной модели, заключается в повышении точности и метрологической надежности устройства за счет устранения различных факторов нестабильности передачи и приема оптического сигнала, а именно за счет того, что измерения, учитывающие угловое распределение интенсивности рассеяния, осуществляются одной парой «излучатель-приемник».
Задача решается тем, что в известном устройстве, содержащем излучатель, фотоприемное устройство, измерительную камеру и контроллер, где излучатель и фотоприемное устройство связаны с контроллером, в отличие от прототипа, фотоприемное устройство включает в себя один
фотоприемник, полый держатель и реверсивный электродвигатель, снабженный поворотным шифратором, причем один конец держателя жестко связан с валом электродвигателя, а на другом закреплен фотоприемник, который электрически связан с сигнальными входами контроллера гибкими проводами, проложенными через держатель, электродвигатель и поворотный шифратор также связаны своими выводами с соответствующими выводами контроллера, фотоприемник обращен своей чувствительной частью к центру вращения, а траектория его движения симметрична относительно луча излучателя и лежит с ним в одной плоскости.
На фиг.1 схематично показана одна из возможных реализации предлагаемого устройства, а на фиг.2 показаны возможные диаграммы напряжения на выходе фотоприемника.
Устройство по фиг.1 содержит: измерительную камеру 1 цилиндрической формы, имеющую патрубки 2 и 3 для подачи и отвода контролируемой жидкости; излучатель 4, находящийся в боковой стенке камеры 1; фотоприемное устройство, включающее в себя фотоприемник 5, полый держатель 6 и реверсивный электродвигатель 7, снабженный поворотным шифратором 8; контроллер 9. Один конец держателя 6 жестко связан с валом электродвигателя 7, а на другом закреплен фотоприемник 5, который электрически связан с сигнальными входами контроллера 9 гибкими проводами, проложенными через держатель 6. Электродвигатель 7 и поворотный шифратор 8 также связаны своими выводами с соответствующими выводами контроллера 9. Держатель 6, выведенный из
6 камеры 1 наружу через сальник 10, особым образом изогнут так, что фотоприемник 5 обращен своей чувствительной частью к центру вращения, а траектория его движения симметрична относительно луча излучателя 4 и лежит с ним в одной плоскости. Электродвигатель 7 с шифратором 8 закреплены на наружной поверхности камеры 1 с помощью опоры 11.
Устройство работает следующим образом. Через патрубок 2 в измерительную камеру 1 непрерывно подается контролируемая жидкость. Жидкость поднимается вверх и, достигнув уровня выводного патрубка 3, удаляется из камеры 1. В начале цикла измерения по сигналу контроллера 9 включается излучатель 4, который просвечивает объем жидкости в измерительной камере 1, одновременно контроллер включает электродвигатель, после чего держатель 6 с закрепленным на нем фотоприемником 5 начинает вращение с постоянной угловой скоростью. Фотоприемник 5 воспринимает излучение, рассеянное взвешенными частицами под разными углами. Код, соответствующий текущему углу поворота вала электродвигателя (а значит, углу между осями действия фотоприемника 5 и излучателя 4), непрерывно подается в контроллер 9, где он программно анализируется: как только угол между осями действия фотоприемника 5 и излучателя 4 становится равным 0° контроллер реверсирует электродвигатель (например, сменой полярности питающего напряжения), и направление вращения изменяется. А в процессе вращения отдельные состояния кода поворотного шифратора 8 служат сигналом для взятия отсчетов выходных напряжений фотоприемника 5. Таким образом,
ось действия фотоприемника 5 периодически поворачивается на ±360°. Сигнал фотоприемника 5 при этом примерно будет выглядеть, как показано на фиг.2. Кривая 1 соответствует большим значениям концентрации, а кривая 2 - малым (при фиксированной дисперсности).
Значения выходного напряжения фотоприемника 5, соответствующие нескольким значениям углов поворота (взятым, например, с дискретностью 30°), преобразуются в контроллере в цифровой код и запоминаются. После каждого поворота контроллером реализуется подпрограмма вычисления концентрации взвешенных частиц по формуле:
где С - искомая концентрация;
R 1, R2,...RN - логометрические отношения вида R1=U 1/U0, R2=U 2/U0,...RN=U N/U0, где U1 , U2,...UN - значения выходного напряжения фотоприемника, соответствующие различным углам поворота, a U0 -опорный сигнал, в качестве которого берут напряжение выхода фотоприемника при угле поворота 180° (т.е. когда фотоприемник расположен строго напротив излучателя);
F - функция, вид которой определяется при градуировке. Вычисление С через логометрические отношения делает результат независимым от нестабильности излучателя и загрязнений окон излучателя и фотоприемника. Так как угловое распределение рассеяния зависит от дисперсности частиц, то результат, вычисляемый по формуле (1), не зависит от дисперсности.
Вычисленное значение С индицируется на встроенном индикаторе контроллера и (или) передается по коммуникационной сети.
При необходимости по формуле, аналогичной (1), может вычисляться и средний размер частиц (дисперсность).
Реализация описанного устройства может отличаться для различных конкретных его применений. Например, проточная измерительная камера 1 может иметь исполнение, допускающее работу под давлением. В этом случае просто более строгие требования будут предъявляться к сальнику 10. Электродвигатель 7 может быть любого типа, подходящий по мощности, желательно со встроенным редуктором. Например, это может быть двигатель постоянного тока, тогда реверс осуществляется сменой полярности напряжения на обмотке. Поворотный шифратор - серийный, например, фирмы Pepperi+Fuchs [Жданкин В.К. Поворотные шифраторы фирмы Pepperi+Fuchs // Современные технологии автоматизации. - 2001. - №3. - С.6-24]. Излучатель- серийный инфракрасный лазер или светодиод (например, отечественный АЛ 119). Фотоприемником может быть фотодиод, например, ФД256. В качестве контроллера лучше всего использовать одноплатные промышленные микрокомпьютеры, например, фирм Advantech или Octagon Systems, либо более дешевые PIC- контроллеры фирмы Microchip.
По сравнению с прототипом предлагаемое устройство обладает повышенной точностью и метрологической надежностью, т.к. практически любые загрязнения окон фотоприемника и излучателя не влияют на результат.
Поточный измеритель концентрации взвешенной фазы в жидкой среде, содержащий излучатель, фотоприемное устройство, измерительную камеру и контроллер, где излучатель и фотоприемное устройство связаны с контроллером, отличающийся тем, что фотоприемное устройство включает в себя один фотоприемник, полый держатель и реверсивный электродвигатель, снабженный поворотным шифратором, причем один конец держателя жестко связан с валом электродвигателя, а на другом - закреплен фотоприемник, который электрически связан с сигнальными входами контроллера гибкими проводами, проложенными через держатель, электродвигатель и поворотный шифратор также связаны своими выводами с соответствующими выводами контроллера, фотоприемник обращен своей чувствительной частью к центру вращения, а траектория его движения симметрична относительно луча излучателя и лежит с ним в одной плоскости.
