Поточный турбидиметр с автоматической очисткой

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля качества воды, измерения концентрации эмульсий и суспензий. Турбидиметр содержит измерительную камеру 1, фотоприемник 3, излучатель 4, электропривод 5, направляющее устройство 6, шток 7, подвижное окно 8, датчик перемещения 9, сильфон 10, контроллер 11, ультразвуковой излучатель 12, выдвигаемые заслонки 13 с собственным электроприводом 14, канал 15 для подачи детергента из сосуда 16 под действием поршня 17, приводимого в действие электроприводом 18. Организация цикла очистки оптических элементов 3 и 8 с помощью комплексного воздействия детергента и ультразвука в малом объеме изолируемой измерительной камеры 1, а также определение моментов включения очищающего механизма только по мере необходимости, когда инвариантно определенная прозрачность окон оптических элементов падает ниже определенного предела, позволяют увеличить время турбидиметра и его ресурс. 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для поточного контроля качества воды, экологического мониторинга, измерения концентрации эмульсий и суспензий.

Фотоэлектрические устройства для измерения концентрации взвешенной фазы в жидких средах, как правило, представляют собой оптические устройства - турбидиметры или нефелометры [Андреев B.C., Попечителев 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 концентратомеров 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. Автоматический 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 концентратомерах на базе турбидиметров таким параметром разделения может быть расстояние между приемником и излучателем. Часто для реализации такого рода логометрических отношений вводят в конструкцию датчика подвижные элементы. Преимуществом такого рода реализации является использование одной и той же пары «излучатель-приемник» для формирования обоих сигналов;

при этом на результат не влияют загрязнения окон и нестабильность излучателя. Примером логометрического турбидиметра с подвижным элементом является [Патент США №4981362, G01N 21/47, опубл. 1 янв. 1991].

Однако при сильных загрязнениях все же приходится применять такие средства очистки окон, как механическое удаление налета с помощью периодически включаемых «дворников» [Model WW 102: Window Wiper Controller ahd Actuator: Техн. информация компании Wedgewood Technology, http://www.wedgewoodtech.com], периодический впрыск в измерительную камеру растворителей или детергентов [Беляков В.Л. Автоматизация промысловой подготовки нефти и воды. - М.: Недра. - 1988. - С.133], воздействие на окна ультразвуком [VisoTurb and ViSolid - new sensors for turbidity and solid matter measurement: Техн. информация фирмы WTW. http://www.wtw.com/media/US_0_05_TSS_028_033.pdf].

Однако в случае липкой дисперсной фазы (частицы нефти, масел, парафина, битума и др.) эти средства также малоэффективны, т.к. липкие частицы органических соединений имеют хорошую адгезию со стеклом, и удалить их чисто механическим воздействием трудно. Промывка же окон химическими реагентами требует большого расхода реактивов. Кроме того, частота включения очищающих устройств обычно назначается произвольно и не является оптимальной. Слишком частое включение уменьшает общий ресурс фотометрического устройства, а слишком редкие включения приведут к ухудшению качества измерений. Поэтому логичным было бы включать очищающее устройство только по необходимости, когда загрязнения окон превышают некоторый приемлемый уровень. Причем попытки использовать для включения очистителя какое-либо пороговое значение на выходе фотоприемника хорошего результата не дает, так как сигнал фотоприемника зависит как от концентрации взвешенных частиц, так и от загрязнений окон, а значит при высокой концентрации частиц и чистых окнах будут возникать ложные непроизводительные запуски очистителя.

Устройством, наиболее близким к предлагаемому, является фотометрический концентратомер (турбидиметр) для жидких дисперсных сред [Патент РФ на полезную модель №60220, опуб. 10.01.2007, Бюл. №1].

Он содержит измерительную камеру с протекающей через нее контролируемой жидкостью, внутри которой смонтированы фотоприемник, направленный на него излучатель и расположенное между ними прозрачное подвижное окно, механически связанное с линейным приводом, предназначенным для перемещения окна по направлению к фотоприемнику и обратно, деформируемый разделитель сред, герметично соединяющий подвижное окно со стенкой измерительной камеры таким образом, что излучатель находится в воздушной среде, датчик перемещения, размещенный на линейном приводе, и контроллер, к выводам которого подключены соответствующие выводы излучателя, фотоприемника, линейного привода и датчика перемещения.

Работа данного турбидиметра сводится к измерению двух сигналов фотоприемника, соответствующих двум разным положениям подвижного окна, вычислению отношения этих сигналов и нахождению искомой концентрации через это отношение, которое свободно от влияния загрязнения подвижного окна и фотоприемника. Благодаря большому диапазону перемещений подвижного окна и адаптивному алгоритму работы, при котором одно из положений окна имеет не фиксированное значение, а выбирается в зависимости от концентрации, устройство имеет расширенный диапазон измерения концентрации при малых погрешностях ее определения.

Такое устройство, однако, не имеет никаких средств автоматической очистки окна излучателя и фотоприемника, и в случае наличия липкой дисперсной фазы время необслуживаемой работы оказывается весьма ограниченным. Кроме того, не используется возможность инвариантного определения степени загрязнения окна излучателя и фотоприемника, которая имеет место при измерении двух сигналов фотоприемников, соответствующих двум разным измерительным базам: т.е. получаемая после измерений система из двух уравнений позволяет определять два неизвестных - концентрацию взвешенных частиц и степень загрязнения окон. Последнее могло бы быть использовано для определения момента включения очищающего устройства.

Задачей, решаемой данным изобретением, является увеличение времени необслуживаемой работы турбидиметра и его ресурса за счет усовершенствования конструкции и алгоритма функционирования, позволяющих применять очищающее устройство оптимальным образом.

Задача решается за счет того, что в известном турбидиметре, содержащем измерительную камеру с протекающей через нее контролируемой жидкостью, внутри которой смонтированы фотоприемник, направленный на него излучатель и расположенное между ними прозрачное подвижное окно, механически связанное с линейным приводом, предназначенным для перемещения окна по направлению к фотоприемнику и обратно, деформируемый разделитель сред, герметично соединяющий подвижное окно со стенкой измерительной камеры таким образом, что излучатель находится в воздушной среде, датчик перемещения, размещенный на линейном приводе, и контроллер, к выводам которого подключены соответствующие выводы излучателя, фотоприемника, линейного привода и датчика перемещения, имеются следующие отличительные особенности: у входа и выхода измерительной камеры расположены электроуправляемые заслонки с собственным единым приводом, внутрь камеры выходит канал подачи жидкого детергента, сообщающийся с сосудом, снабженным электроуправляемым поддавливающим поршнем, внутри измерительной камеры расположен ультразвуковой излучатель, управляющие входы привода заслонок, электроуправляемого поддавливающего поршня и ультразвукового излучателя соединены с соответствующими выводами контроллера.

На чертеже схематично показан предлагаемый турбидиметр. Устройство содержит измерительную камеру 1, заполненную анализируемой жидкой средой 2. В стенках камеры смонтированы фотоприемник 3 и излучатель 4. Линейный привод состоит из электропривода 5, направляющего устройства 6 и штока 7. Подвижное окно 8 жестко связано со штоком 7, который может линейно перемещаться по направлению к фотоприемнику 3 и обратно через направляющее устройство 6 под действием электропривода 5. На линейном приводе размещен датчик перемещения 9. Сильфон 10 герметично соединен с подвижным окном 8 и стенкой измерительной камеры 1. Фотоприемник 3, излучатель 4, электропривод 5 и датчик перемещения 9 имеют соответствующие электрические связи с контроллером 11. В стенке измерительной камеры 1 поблизости с фотоприемником 3 и подвижным окном 8 смонтирован ультразвуковой излучатель 12, который также электрически связан с соответствующим выводом контроллера 11. У входа и выхода измерительной камеры 1 расположены электроуправляемые заслонки 13 с собственным единым приводом 14, расположенные так, что в выдвинутом положении они полностью изолируют измерительную камеру от потока жидкости. Внутрь камеры 1 выходит канал подачи жидкого детергента 15, сообщающийся с сосудом 16, снабженным электроуправляемым поддавливающим поршнем 17, который приводится в движение электроприводом 18. Электропривод заслонок 14 и электропривод поддавливающего поршня 18 электрически соединены с соответствующими выводами контроллера 11.

Турбидиметр работает следующим образом. В начале цикла работы по сигналу контроллера 11 электропривод 5 выдвигает шток 7 через направляющее устройство 6 на максимально возможное расстояние, соответствующее минимальному зазору L₁ между фотоприемником 3 и подвижным окном 8 (порядка 1-3 мм). Сильфон 10 при этом растягивается, но внутри него излучатель 4, а также шток 7 и направляющее устройство 6 всегда находятся в воздушной среде и надежно защищены от воздействия жидкой среды 2. Перемещение (положение) штока 7 определяется при помощи датчика перемещения 9, сигнал которого непрерывно подается в контроллер 11, где на основе анализа значения последнего происходит выработка управляющего сигнала для электропривода 5. Этот управляющий сигнал, кроме нулевого значения, может иметь еще два значения (например, в виде положительной и отрицательной полярности напряжения), соответствующих выдвижению или втягиванию штока. При достижении положения окна L₁ контроллер 11 останавливает электропривод 5 и включает излучатель 4, коллимированный пучок света которого проходит через воздушный промежуток внутри сильфона 10, прозрачное окно 8 и анализируемую жидкую среду 2. При этом в воздухе рассеяния света практически не происходит. Рассеяние наблюдается только в жидкой среде со взвешенными в ней частицами. Поэтому сигнал U₁ на выходе фотоприемника 3 зависит от концентрации согласно формуле:

где k - совокупный коэффициент прозрачности окна 5 и окна фотоприемника 3, зависящий от степени загрязнения;

I₀ - яркость излучателя;

ε - коэффициент удельной экстинкции (поглощение на единичной толщине слоя жидкости);

С - искомая концентрация взвешенных частиц.

В памяти контроллера 11 запоминаются значения U₁ и L₁. После этого на электропривод 5 подается управляющий сигнал на втягивание штока 7. При этом расстояние между подвижным окном 8 и фотоприемником 3 увеличивается, а напряжение на выходе фотоприемника 3 вследствие большего рассеяния уменьшается. Когда сигнал на выходе фотоприемника 3 уменьшается примерно в три раза (это опытным путем установленное соотношение, при котором погрешности определения концентрации минимальны) относительно сигнала U₁, контроллер 18 вырабатывает сигнал останова привода 6. При этом толщина рассеивающего слоя жидкости равна L₂. Если жидкость очень прозрачная и изменения сигнала в три раза не достигается, то останов производится при крайнем верхнем (по чертежу) положении подвижного окна 8. Затем производится измерение и запоминание значений L₂ (с помощью датчика перемещения 9) и U₂ (на выходе фотоприемника 3). Сигнал U₂ на выходе фотоприемника 3 в этом случае по аналогии с (1) связан с концентрацией следующей зависимостью:

Далее контроллер 11 производит выключение излучателя 4 и выполняет следующие расчеты (решение системы, состоящей из уравнений (1) и (2)):

искомая концентрация:

коэффициент прозрачности окон:

Коэффициент ε определяют опытным путем при градуировке устройства. Он является константой для определенного типа жидкостей. I₀ также является константой.

Далее контроллер 11 осуществляет индикацию (запись, передачу) полученного значения концентрации С и анализ коэффициента k. Если k меньше определенного критического значения k_min (т.е. загрязнения на окнах превышают определенный предел), то производится следующая последовательность действий по очистке окон от загрязнений:

- контроллер 11 вырабатывает управляющий сигнал «выдвижение» для привода заслонок 14, при этом заслонки 13 выдвигаются и перекрывают вход и выход измерительной камеры 1, изолируя ее тем самым от потока жидкости;

- контроллер 11 вырабатывает управляющий сигнал для электропривода поддавливающего поршня 18, при этом в камеру по каналу 15 из сосуда 16 подается небольшое количество детергента (реагента, способного расщеплять липкие загрязнения); небольшой объем изолированной камеры 1 способствует экономному расходу детергента;

- контроллер 11 вырабатывает управляющее напряжение для ультразвукового излучателя 12, который начинает возбуждать в камере 1 ультразвуковые колебания, способствующие очистке загрязненных окон; такое воздействие длится несколько минут, при этом происходит эффективная очистка окон благодаря комплексному действию ультразвука и химической реакции загрязнений с детергентом внутри малого объема измерительной камеры;

- контроллер 11 вырабатывает управляющий сигнал «втягивание» для привода заслонок 14, при этом заслонки 13 втягиваются и открывают измерительную камеру 1 для потока жидкости, при этом остатки загрязнений удаляются потоком.

Далее возобновляются циклы измерений.

Как видно из формулы (3), результат не зависит от нестабильных составляющих k и I₀. А из формулы (4) следует, что определяемый коэффициент прозрачности k не зависит от концентрации, что позволяет инвариантно относительно концентрации определять степень загрязнения окон и включать механизм очистки только тогда, когда это действительно необходимо.

Устройство может быть реализовано на основе различных относительно недорогих и доступных элементов. Фотоприемник 3 может быть реализован на основе фотодиода, например, типа ФД256. Излучатель 4 может быть реализован на основе красного или инфракрасного лазера, либо на основе светодиода с собирающей линзой.

Каждый из приводов 5, 14, 18 может быть выполнен на основе электродвигателя постоянного тока с редуктором, который снабжен винтовым преобразователем вращательного движения в поступательное.

Заслонки 13 могут представлять собой либо отдельные плоские пластины (в случае, если сечение корпуса прямоугольное), либо единую цилиндрическую деталь, коаксиально перемещаемую вдоль корпуса (если сечение корпуса круглое). Перекрытие камеры 1 заслонками 13 не должно быть абсолютно герметичным, т.к. в этом случае ухудшатся условия поступления детергента в камеру из сосуда 16 под действием электроуправляемого поддавливающего поршня 17.

Жидкий детергент в сосуде 16 может представлять собой раствор моющего жирорасщепляющего средства. Таковыми являются, например, перекись водорода, каустическая сода, перхлорэтилен и др. Запас детергента должен восполняться периодически, например, при выполнении регламентных работ.

Датчик перемещения 9 может быть любого типа, например индуктивного, емкостного, резистивного, оптического и др.

Сильфон 10 может быть металлическим или резиновым в зависимости от условий работы. Сильфоны различных типоразмеров также серийно выпускаются промышленностью.

Контроллер 11 может быть реализован на основе программируемого микроконтроллера, например, фирм Atmel или Microchip. Большинство подобных контроллеров кроме вычислительного ядра имеют встроенные аналого-цифровые преобразователи и память.

Ультразвуковой излучатель 12 может быть реализован на базе серийно выпускаемых излучателей на основе пьезокерамических пластин.

Предлагаемый турбидиметр выгодно отличается от прототипа увеличенным временем необслуживаемой работы и повышенным ресурсом, что достигнуто за счет организации цикла очистки окон оптических элементов с помощью комплексного воздействия детергента и ультразвука в малом объеме изолируемой измерительной камеры, а также за счет определения моментов включения очищающего механизма только по мере необходимости, когда инвариантно определенная прозрачность окон оптических элементов падает ниже определенного предела.

Поточный турбидиметр с автоматической очисткой, содержащий измерительную камеру с протекающей через нее контролируемой жидкостью, внутри которой смонтированы фотоприемник, направленный на него излучатель и расположенное между ними прозрачное подвижное окно, механически связанное с линейным приводом, предназначенным для перемещения окна по направлению к фотоприемнику и обратно, деформируемый разделитель сред, герметично соединяющий подвижное окно со стенкой измерительной камеры таким образом, что излучатель находится в воздушной среде, датчик перемещения, размещенный на линейном приводе, и контроллер, к выводам которого подключены соответствующие выводы излучателя, фотоприемника, линейного привода и датчика перемещения, отличающийся тем, что у входа и выхода измерительной камеры расположены электроуправляемые заслонки с собственным единым приводом, внутрь камеры выходит канал подачи жидкого детергента, сообщающийся с сосудом, снабженным электроуправляемым поддавливающим поршнем, внутри измерительной камеры расположен ультразвуковой излучатель, управляющие входы привода заслонок, электроуправляемого поддавливающего поршня и ультразвукового излучателя соединены с соответствующими выводами контроллера.