Способ определения мутности среды



Способ определения мутности среды
Способ определения мутности среды
Способ определения мутности среды
Способ определения мутности среды

 


Владельцы патента RU 2471175:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для поточного контроля качества воды, экологического мониторинга, измерения концентрации эмульсий и суспензий. Способ заключается в регистрации рассеянного анализируемой средой излучения посредством фотоприемника, представляющего собой фотоприемную матрицу, с помощью которой получают картину рассеянного излучения. Затем на изображении выделяют контуры пятен паразитных отложений на окне и вычисляют их относительную площадь для определения степени загрязнения окна. Определяют профиль яркости по средней горизонтальной линии кадра фотоматрицы, корректируют профиль яркости на участках, искаженных пятнами отложений, и производят его сглаживание с помощью процедуры фильтрации, затем по эмпирической формуле определяют мутность среды. Изобретение обладает повышенной помехозащищенностью и меньшей зависимостью результата от наличия паразитных отложений на окнах фотоприемника. 4 ил.

 

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

Мутность - оптическая величина, характеризующая способность среды рассеивать свет, которую измеряют с целью определения концентрации взвешенных частиц в среде. Как правило, мутность жидких или газовых сред измеряют с помощью турбидиметрических или нефелометрических методов.

Турбидиметрический способ определения мутности - такой способ, в котором излучатель и приемник излучения находятся напротив друг друга, фотоприемник регистрирует ослабленное в среде излучение [Андреев B.C., Попечителев Е.П. Лабораторные приборы для исследования жидких сред. - Л.: Машиностроение. - 1981. - С.99-101].

Нефелометрический способ определения мутности отличается тем, что ось излучения расположена под некоторым углом к оптической оси приемника, как правило под углом 90°, и фотоприемник воспринимает рассеянное частицами излучение [Андреев B.C., Попечителев Е.П. Лабораторные приборы для исследования жидких сред. - Л.: Машиностроение. - 1981. - С.99-101].

При измерении мутности среды в полевых (промышленных) условиях очень важно обеспечить длительные непрерывные измерения без участия обслуживающего персонала. Однако в условиях, когда на прозрачных окнах фотоприемника образуются паразитные отложения (липкие частицы масел, смол, глины, отложения солей, наросты водорослей и т.д.), прозрачность окна постепенно уменьшается, что ведет к значительной погрешности и к потере работоспособности устройства.

Для борьбы с подобным недостатком используются различные способы:

- периодически включаемые щетки [Model WW102: Window Wiper Controller and Actuator: Техн. информация компании Wedgewood Technology, http://www.wedgewoodtech.com];

- подача на окно фотоприемника струи воды, воздуха [Патент РФ на полезную модель №2370754, опуб. 20.10.2009];

- 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_O_05_TSS_028_033.pdf];

- нагрев стекла окна фотоприемника [Беляков В.Л. Автоматизация промысловой подготовки нефти и воды. - М.: Недра. - 1988. - С.133].

Однако все перечисленные способы не всегда экономически эффективны и надежны. Так, устройство очистки работает нерационально (слишком часто), а наличие механических подвижных частей часто вообще недопустимо по техническим условиям.

Один из общих подходов к решению подобных проблем в технике заключается в использовании аппаратной и информационной избыточности, за счет которой можно организовать анализ поступающей измерительной информации и отбраковку искаженных помехами отсчетов. Относительное количество искаженных отсчетов является при этом мерой оценки степени подверженности измерений помехам и может служить критерием принятия решения о включении того или иного средства борьбы с помехой.

В данной конкретной области возможное решение проблемы лежит в сфере использования мультисенсорных систем. Такими мультисенсорными системами являются фотоприемные матрицы - устройства, содержащие большое количество фотоприемных элементов - пикселей (в отличие от дискретных фотоприемников с одним чувствительным элементом). Обычно фотоматрица - это специализированная интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных элементов и электронной схемы для предварительной обработки и оцифровки сигналов. Фотоматрицы могут выполняться по ПЗС-технологии [Бейкер В.Д., Барб Д.Ф, Бурке Х.К. Приборы с зарядовой связью: Пер. с англ. / Под ред. Д.Ф.Барба. - М.: Мир, 1982] или по КМОП-технологии [Zimmermann H.K. Integrated Silicon Optoelectronics. - Springer, 2nd ed. Edition, 2009. - 388 p.].

Обработка изображений, полученных на фотоматрице, может выполняться с помощью универсальных программных продуктов, таких как LabView. Информацию о распределении яркости на пикселях матрицы удобно анализировать с помощью процедуры, позволяющей получать так называемый профиль яркости - кривую интенсивности пикселей изображения вдоль заданной линии, например горизонтальной линии кадра [Визильтер Ю.В., Желтов С.Ю. и др. Обработка и анализ цифровых изображений с примерами на LabView IMAQ Vision. - М.: ДМК Пресс, 2007. - 464 с.- С.155].

Способом определения мутности, наиболее близким к предлагаемому, является способ, реализуемый в нефелометре для измерения мутности воды [Патент US №7,663,751 В1 МПК G01N 21/00, опуб. 16.02.2010]. Способ заключается в том, что через анализируемую среду пропускают зондирующее излучение и регистрируют рассеянное средой излучение фотоприемником, отделенным от среды прозрачным окном и расположенным под углом 90 градусов относительно оптической оси излучателя, затем по сигналам фотоприемника рассчитывают искомое значение мутности среды. Описанный способ может иметь множество вариантов исполнения, отличающихся друг от друга различными деталями, в частности, в прототипе используют особую длину волны излучения, равную 525 нм, что обеспечивает повышенную чувствительность метода.

Такой способ, однако, не обеспечивает инвариантности измерений по отношению к загрязнению окна фотоприемника, в качестве которого используют дискретное устройство (например, фотодиод), и в случае отложения липкой дисперсной фазы на окне, не имеет никаких средств автоматической защиты от действия этого фактора, что вызывает необходимость установления короткого межрегламентного периода для поддержания приемлемой метрологической надежности.

Задачей, решаемой данным изобретением, является повышение помехозащищенности метода и достижение независимости измерений мутности среды от наличия паразитных отложений на окнах фотоприемника при минимальном использовании процедуры очистки.

Задача решается за счет того, что в способе, заключающемся в том, что через анализируемую среду пропускают зондирующее излучение и регистрируют рассеянное средой излучение фотоприемником, отделенным от среды прозрачным окном и расположенным под углом 90 градусов относительно оптической оси излучателя, затем по сигналам фотоприемника рассчитывают искомое значение мутности среды, согласно изобретению регистрацию рассеянного излучения выполняют посредством фотоприемника, представляющего собой фотоприемную матрицу, с помощью которой получают картину рассеянного на частицах излучения, затем на полученном изображении выделяют контуры пятен паразитных отложений на окне и вычисляют их относительную площадь для определения степени загрязнения окна, определяют профиль яркости по средней горизонтальной линии кадра фотоматрицы, корректируют профиль яркости на участках, искаженных пятнами отложений, и производят его сглаживание с помощью процедуры фильтрации, затем по эмпирической формуле определяют мутность среды:

где U1 - выходной сигнал фотоприемной ячейки, измеренный в центральной точке кадра,

U2 - выходной сигнал фотоприемной ячейки, взятый на той же линии в периферийной точке кадра, отстоящей от края кадра на фиксированное небольшое количество пикселей.

Существо изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена общая схема нефелометра, реализующего способ определения мутности.

На фиг.2а-2в изображена картина распределения света на фотоматрице для разных значений мутности среды.

На фиг.2г изображена картина распределение яркости пикселей по средней горизонтальной линии кадра, полученного с фотоматрицы, для разных значений мутности среды.

На фиг.3а изображена картина распределения света на фотоматрице с учетом загрязнений окна фотоприемника паразитными отложениями.

На фиг.3б изображена картина распределения яркости пикселей по средней горизонтальной линии кадра, полученного с фотоматрицы, для случая, когда картина искажена наличием отложений.

На фиг.3в изображена картина распределение яркости пикселей по средней горизонтальной линии кадра после применения специальной процедуры «вырезания» искаженных участков и замены их усредненными значениями.

На фиг.3г изображена картина распределение яркости пикселей, полученная из предыдущего изображения путем низкочастотной фильтрации.

На фиг.4 изображен график зависимости мутности среды τ от отношения R, рассчитываемого по яркости пикселей фотоматрицы.

Устройство (фиг.1) содержит излучатель 1, окно излучателя 2, объектив 3, окно фотоприемника 4, фотоматрицу 5, кювету 6. Позицией 7 обозначены частицы среды, 8 - зондирующий луч и 9 - рассеянное излучение. Фотоматрица 5 связана со входом измерительно-вычислительного устройства (ИВУ) 10 посредством шины 11. Излучатель 1 запитан от соответствующего управляющего выхода ИВУ 10 через шину 12.

Способ реализуется следующим образом. В начале цикла работы по сигналу ИВУ 10 излучатель 1 генерирует зондирующий луч 8, который проходит через прозрачное окно 2 в исследуемую среду 6. Рассеянное излучение 9, обусловленное наличием частиц 7, поступает на объектив 3, расположенный под углом 90 градусов относительно оптической оси излучателя, через прозрачное окно 4. С помощью фотоматрицы 5 регистрируют картину ослабленного излучения, которая может быть искажена загрязнениями окна фотоприемника. Сигнал с фотоматрицы 5 подается на ИВУ 10. Полученную на фотоматрице картину распределения света, искаженную загрязнениями (фиг.3, а), подвергают программной обработке, а именно: на изображении выделяют контуры пятен паразитных отложений на окне, по отношению общей площади, занятой частицами загрязнения, ко всей площади изображения определяют степень загрязнения окна фотоприемника k. Если k превышает некоторое пороговое значение, например 20%, принимают решение об очистке окна (ИВУ выдает сигнал о необходимости ручной очистки устройства или включении автоматической очистки устройства). Также определяют профиль яркости по средней горизонтальной линии кадра фотоматрицы (фиг.3, б), корректируют профиль яркости на участках, искаженных пятнами отложений (фиг.3, в), и производят его сглаживание с помощью процедуры фильтрации (фиг.3, г). Затем вычисляют значение отношения R:

Соответствующие значения U1 и U2 на профиле яркости показаны на фиг.3, г. Затем по эмпирической формуле (1), вид которой определяют заранее в процессе градуировки, пример которой показан на фиг.4, определяют мутность τ.

Пример конкретной реализации способа

В результате действия зондирующего излучения 8 и рассеяния его на частицах 7 на фотоприемной матрице 5 получено изображение, показанное на фиг.3, а. Оно искажено пятнами паразитных отложений. Ширина кадра фотоматрицы составляет 800 пикселей. После оцифровки сигналов пикселей в ИВУ 10 с помощью программной процедуры выделения контуров пятен обозначают границы пятен и получают отдельное изображение, которое сильно контрастирует (паразитные пятна - черные, все остальное - белое), затем подсчитывают относительную площадь пятен на кадре, которая определяет степень загрязнения окна фотоприемника. Например, для фиг.3, а она равна 2,2%. При необходимости это значение используют для принятия решения о выполнении процедуры ручной или автоматической очистки окна. Кроме того, по фиг.3, а строят профиль яркости по средней горизонтальной линии кадра. Он будет выглядеть, как показано на фиг.3, б, темным пятнам отложений будут соответствовать провалы на кривой. Далее искаженные участки кривой профиля корректируют с помощью процедуры, производящей замену значений яркости пикселей, соответствующих темным пятнам, средними значениями яркости пикселей, расположенных до и после пятна. В результате получают картину, изображенную на фиг.3, в. Полученное изображение подвергают низкочастотной фильтрации (сглаживанию), после чего кривая профиля приобретает правильную колоколообразную форму, показанную на фиг.3, г. Затем выделяют пиксели с номерами 400 (средняя точка профиля) и 700 (периферийная точка профиля, отстоящая от края на 100 пикселей) и определяют значения их яркостей - соответственно U1 и U2. Далее находят отношение по формуле (2). Оно не зависит от нестабильности яркости излучателя. После чего по градуировочной формуле (1) определяют значение мутности среды. Например, для фиг.3 R=4, а по фиг.4 τ=2100 ЕМФ (ЕМФ - единица мутности по формазину 7027 ИСО).

Предложенный способ определения мутности среды может быть реализован на основе различных относительно недорогих и доступных элементов. В качестве фотоматрицы 5 может быть использована одна из фотоматриц, выпускаемых фирмой Micron.

Излучатель 1 может быть реализован на основе красного или инфракрасного лазера либо на основе светодиода с собирающей линзой.

ИВУ 10 может быть реализовано на базе микроконтроллера или одноплатного компьютера с приставкой сбора информации.

Разработка программных кодов процедур обработки изображения, локализации пятен отложений, выделения полезного сигнала и расчета мутности, а также определения степени загрязнения окна фотоприемника возможно в среде пакета программ Lab View.

Предлагаемый способ определения мутности среды выгодно отличается от прототипа возможностью длительных непрерывных измерений мутности без участия обслуживающего персонала, что достигнуто за счет избыточности получаемой с фотоматрицы информации и инвариантности измерений относительно загрязнения окон фотоприемника.

Способ определения мутности среды, заключающийся в том, что через анализируемую среду пропускают зондирующее излучение и регистрируют рассеянное средой излучение фотоприемником, отделенным от среды прозрачным окном и расположенным под углом 90° относительно оптической оси излучателя, затем по сигналам фотоприемника рассчитывают искомое значение мутности среды, отличающийся тем, что регистрацию рассеянного излучения выполняют посредством фотоприемника, представляющего собой фотоприемную матрицу, с помощью которой получают картину рассеянного на частицах излучения, затем на полученном изображении выделяют контуры пятен паразитных отложений на окне и вычисляют их относительную площадь для определения степени загрязнения окна, определяют профиль яркости по средней горизонтальной линии кадра фотоматрицы, корректируют профиль яркости на участках, искаженных пятнами отложений, и производят его сглаживание с помощью процедуры фильтрации, затем по эмпирической формуле определяют мутность среды:
τ=f(R)=f(U1/U2),
где U1 - выходной сигнал фотоприемной ячейки, измеренный в центральной точке кадра,
U2 - выходной сигнал фотоприемной ячейки, взятый на той же линии в периферийной точке кадра, отстоящей от края кадра на фиксированное небольшое количество пикселей.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к формированию изображения с использованием оптической когерентной томографии в Фурье-области. .

Изобретение относится к формированию томографических изображений на основании оптического когерентного излучения и может быть использовано в диагностике и лечении заболеваний глаз.

Изобретение относится к устройствам формирования оптических томографических изображений и может быть использовано, в частности, в офтальмологической диагностике.

Изобретение относится к угловой колориметрии и может быть использовано в производстве архитектурных стеклянных панелей. .

Изобретение относится к прикладной аналитической химии и может быть использовано для определения мутности жидких дисперсных систем, в частности жидких пищевых продуктов (напитки, соки и т.п.).

Изобретение относится к области измерения оптических характеристик твердых, жидких и газообразных рассеивающих веществ и может найти применение в промышленности и медицине, в процедурах контроля качества рассеивающих веществ путем измерения их оптических характеристик, а именно путем измерения фактора анизотропии и коэффициентов рассеяния и поглощения вещества.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для определения концентрации иммуноактивных объектов в пробах биологических жидкостей. .

Изобретение относится к устройствам для измерения компонентов сельскохозяйственной продукции. .

Изобретение относится к области контроля загрязнений окружающей среды и может использоваться для измерения прозрачности и компонентного состава (концентрации газовых компонент) рассеивающих сред (атмосферы, дымности выбросов автомобилей, труб промышленных предприятий и т.п.)

Изобретение относится к формированию изображения с использованием оптической когерентной томографии в Фурье-области. Устройство содержит первый переключающий блок 17, осуществляющий переключение между первым состоянием, в котором обратный луч 12 объединяется с опорным лучом (состояние, в котором обратный луч 12 проводится к объединяющему блоку 22), и вторым состоянием, отличающимся от первого состояния (состоянием, в котором путь луча для обратного луча 12 блокируется или изменяется). Управляющий блок 18 управляет переключающим блоком 17 для изменения первого и второго состояний. Блок 19 сбора интерферометрической информации осуществляет сбор интерферометрической информации об обратном луче 12 и опорном луче 14 с использованием опорного луча 14 или обратного луча 12, обнаруженного обнаруживающим блоком 16 во втором состоянии, и объединенного луча 15. Изобретение обеспечивает получение томографического изображения с высоким разрешением за счет удаления шумов, обусловленных автокорреляционной составляющей обратного луча. 3 н. и 27 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области исследования двухфазных газодинамических потоков, в частности к технике определения параметров твердой или жидкой фазы потока оптическими средствами, и может быть использовано для измерения распределения частиц по размерам бесконтактным методом, а также таких параметров, как оптическая плотность, показатель ослабления света двухфазной струей. Сущность изобретения заключается в следующем. Для измерения индикатрисы рассеяния вместо одного перемещающегося фотометра предлагается набор неподвижных фотометрических камер, расположенных по полукольцу с центром в исследуемом рассеивающем объеме. Оптические оси камер направлены под углами рассеяния. Фотоприемники камер подключены к многоканальному усилителю и далее к многоканальному аналого-цифровому преобразователю и системе сбора данных. Благодаря такой конструкции можно быстро измерить индикатрису рассеяния, показатель объемного рассеяния не только стационарного двухфазного потока, но и струи в импульсных ударных трубах с гиперзвуковым течением. 3 ил.

Изобретение относится к области оптических исследований содержимого мутных сред. Способ содержит этапы, на которых обеспечивают широкополосный свет, пространственно выделяют множество полос длин волн, содержащихся в широкополосном свете, отдельно модулируют множество полос длин волн, повторно объединяют множество модулированных полос длин волн в пучок спектрально кодированного широкополосного света. Освещают мутную среду пучком спектрально кодированного широкополосного света, обнаруживают свет, исходящий из мутной среды, с помощью детектора и демодулируют обнаруженный свет с помощью демодулятора для обеспечения спектроскопической информации. Изобретение позволяет повысить эффективность использования света. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

Группа изобретений относится к области медицинского приборостроения. На кожу и калибровочный образец посылают световое излучение не менее чем в Nλ≥3 узких или широких спектральных участках Λk (k=1,…,N). Регистрируют сигналы от кожи и калибровочного образца при включенном и выключенном источнике излучения. Определяют коэффициенты диффузного отражения R(Λk) с использованием соотношения R ( Λ k ) = R s t d V ( Λ k ) − v ( Λ k ) V s t d ( Λ k ) − v s t d ( Λ k ) , где Rstd - коэффициент диффузного отражения калибровочного образца в спектральных участках Λk; ν(Λk), νstd(Λk) - сигналы от кожи и калибровочного образца в спектральных участках Λk при выключенном источнике излучения, V(Λk), Vstd(Λk) - сигналы, отраженные от кожи и калибровочного образца в спектральных участках Λk при включенном источнике излучения. Глубину проникновения света в кожу определяют с помощью аналитических выражений, связывающих спектральные значения глубины проникновения света с R(Λk) или с проекциями R(Λk) на пространство из собственных векторов ковариационной матрицы R(Λk). Устройство включает широкополосный источник света, приемный оптоволоконный кабель и фотоприемное устройство, монохроматор, два линейных поляризатора, калибровочный образец, фокусирующее устройство. Фотоприемное устройство выполнено на основе ПЗС-матрицы, вход которой через объектив связан с выходом второго линейного поляризатора, принимающим излучение от кожи и калибровочного образца. При этом ось второго поляризатора перпендикулярна оси первого поляризатора. Выход фотоприемного устройства соединен с блоком регистрации и обработки сигналов от кожи и калибровочного образца. Группа изобретений позволяет повысить точность определения глубины проникновения света в кожу за счет исключения использования априорной информации об исследуемом объекте, влияния разброса аппаратурных констант системы регистрации отраженных сигналов, устранения вклада отраженного от поверхности кожи излучения в регистрируемые оптические сигналы. 2 н.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к средствам оптического детектирования суставов. Устройство содержит измерительный блок для облучения светом части тела субъекта и одновременно локального детектирования ослаблений света, при этом частота выборки для локального детектирования является более высокой, чем частота сокращений сердца субъекта. Устройство дополнительно выполнено с возможностью предоставления информации о состоянии, по меньшей мере, одного сустава путем сравнения результатов измерений сустава и, по меньшей мере, одного другого участка части тела при различных состояниях кровотока, вызванных в период различных фаз пульсовых колебаний кровяного давления, обусловленных сокращениями сердца субъекта. Способ заключается в использовании устройства. Использование изобретения позволяет повысить надежность и качество детектирования состояния сустава. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области оптической диагностики физических сред и может быть использовано в приборах, предназначенных для измерения распределения концентрации и размеров микро- и наночастиц в жидкостях и газах. Способ включает измерение флуктуации мощности излучения, рассеянного на исследуемых частицах под относительно большими углами, измерение распределения интенсивности рассеянного излучения под малыми углами рассеяния и математическую обработку полученных данных путем решения интегрального уравнения обратной задачи рассеяния. Устройство содержит зондирующий лазер, рабочую кювету с исследуемой средой, помещенные в плоскости рассеяния лазерного луча одноэлементные фотоприемники, расположенные к нему под относительно большими углами для регистрации флуктуации мощности рассеянного на частицах излучения, матричный фотоприемник для регистрации малоугловой диаграммы рассеянного излучения и объектив, собирающий прошедший через рабочую кювету световой пучок, причем указанный матричный фотоприемник расположен в фокальной плоскости указанного объектива. Изобретение обеспечивает повышение точности измерений. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к оптическим исследовательским устройствам. Устройство выполнено с возможностью, по меньшей мере, частичного помещения в мутную среду и содержит участок ствола, выполненный с возможностью помещения в мутную среду, содержащий участок наконечника, в котором, по меньшей мере, одно устройство источника света выполнено с возможностью излучения пучка широкополосного света, причем пучок широкополосного света содержит различные полосы длин волн, которые модулируются по-разному, и, по меньшей мере, один фотодетектор для обнаружения широкополосного света в области, выполненной с возможностью помещения в мутную среду участка ствола. Дополнительно устройство содержит блок демодуляции и анализа, выполненный с возможностью осуществления спектрального анализа на основании электрического сигнала, принятого, по меньшей мере, от одного фотодетектора, и с возможностью обеспечения сигнала обратной связи для модификации модуляции широкополосного света в зависимости от сигнала, обеспеченного фотодетектором. Использование изобретения позволяет уменьшить время сбора данных при повышении их достоверности. 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано для диагностики опухолевых заболеваний. Устройство для определения концентрации гемоглобина и степени оксигенации крови в слизистых оболочках включает источник излучения, выполненный из набора излучателей на разных длинах волн или на основе широкополосного излучателя, освещающее оптическое волокно, эластичный зонд, блок регистрации изображения в виде ПЗС-матрицы с установленной перед ней собирающей линзой и блок обработки изображения. Причем источник излучения связан с блоком управления излучателями и блоком распределения каналов посылки излучения, выход которого соединен со входом освещающего оптического волокна, расположенного в эластичном зонде, в наконечнике которого расположены два взаимно ортогональных поляризационных фильтра, один из которых связан с выходом освещающего волокна, а второй - с блоком регистрации изображения, который соединен цифровым кабелем, расположенным в зонде, с блоком обработки изображения, определяющим значения концентрации гемоглобина и степени оксигенации крови во всех точках изображения слизистой оболочки, получаемого на ПЗС-матрице. Изобретение обеспечивает повышение точности диагностики онкологических заболеваний слизистых оболочек. 8 ил., 2 табл.
Наверх