Устройство контроля оптической плотности потока

Изобретение относится к определению объемной концентрации мелкодисперсных взвешенных частиц в потоке жидкости или газа и может быть использовано для непрерывного контроля процессов очистки воды в биологических очистных сооружениях. Проточная измерительная ячейка устройства выполнена в виде усеченного прозрачного или с прозрачными окнами конуса, в который вставлен и зафиксирован на заданном расстоянии от стенок ячейки сплошной или пустотелый прозрачный стержень конической формы таких размеров и таким образом, что разность квадрата внутреннего радиуса ячейки и квадрата наружного радиуса прозрачного стержня, измеренных в одном сечении ячейки, постоянна для всех сечений ячейки. Источник света содержит делитель светового потока, обеспечивающий сканирование световым лучом сечений ячейки по всей длине ячейки, а фотоприемник выполнен в виде линейки отдельных фотоприемников, содержащей как минимум два независимых фотоприемника. Изобретение обеспечивает повышение точности измерений. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для определения объемной концентрации мелкодисперсных взвешенных частиц в потоке жидкости или газа по измерению оптической плотности потока и может быть использовано для непрерывного контроля процессов очистки воды в биологических очистных сооружениях, дымовых и пылегазовых потоков, химических и других производств.

Существуют способы и устройства определения концентрации взвешенных микрочастиц, основанные на измерении интенсивности рассеянного микрочастицами света. В наиболее общем виде интенсивность светорассеяния зависит от размера и количества частиц.

Классическое устройство для определения оптической плотности потока, например жидкости, состоит из источника света, проточной ячейки (прямоугольной или цилиндрической, прозрачной или с прозрачными окнами), фотоприемника и анализатора фотосигнала. Оптическая плотность ячейки складывается из оптической плотности стенок ячейки (величины постоянной), оптической плотности потока струи жидкости (переменной величины, которую и надо контролировать) и оптической плотности налета на стенках ячейки (изменяющейся во времени по неустановленным законам). Как правило, оптической плотностью налета пренебрегают (в силу ее относительно невысокого значения), что обуславливает систематическую погрешность рассмотренного метода измерения.

Известно устройство для определения объемной концентрации взвешенных частиц в светопоглощающих средах, содержащее источник света, измерительную камеру (измерительную ячейку), фотоприемники, блоки управления (а.с. 1303906, класс G01N 21/27).

Недостатком известного устройства является возможность корректного контроля только сред с очень малой концентрацией взвешенных частиц. Это обусловлено тем, что не учитывается неконтролируемое ослабление светового потока загрязняющими отложениями на стенках измерительной камеры при пропускании через нее потока жидкой или газовой среды со значительными концентрациями взвешенных частиц.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является известное устройство, содержащее цилиндрическую фотометрическую кювету (измерительную ячейку), источник света, фотоприемник, блок обработки сигнала, узел очистки - промывки (а.с. 1453272, класс G01N 21/85).

Недостатком известного устройства является конструктивное усложнение устройства при недостаточной точности измерения (точное измерение возможно только во временной точке - сразу после очистки ячейки), а также направленность на применение для узкого круга сред, а более конкретно для измерения концентрации нефти и нефтепродуктов в сбросовых водах.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерений путем устранения погрешности непрерывного измерения оптической плотности потока жидкой или газовой среды, обусловленной образованием налета из содержащихся в потоке частиц на внутренней поверхности ячейки, и расширение функциональности устройства.

Поставленная задача решается тем, что контролируемый поток жидкой или газовой среды (или эквивалентную часть потока) пропускают через ячейку, представляющую собой прозрачный или с прозрачными окнами усеченный конус, внутри которого располагается прозрачный сплошной или пустотелый стержень конической формы, оптическая плотность которого априори известна и габариты которого задаются внутренними габаритами ячейки.

Устройство состоит из проточной конической ячейки 1, подсоединяемой через переходники и переключающую арматуру (на рисунке не показаны) к соответствующему трубопроводу, источника света 2 (лампа накаливания с рефлектором, светодиод или лазер), делителя 3 светового потока 4, линейки (блока отдельных независимых фотоприемников) 5. Источник света (делитель светового потока) и линейка (блок) фотоприемников (фотоэлементов) расположены параллельно ячейке (потоку) на противоположных сторонах измерительной ячейки (фигура 1). Внутрь конической ячейки 1 вставлен конический стержень 6 (в вариантном исполнении пустотелый).

Линейка фотоприемников подключается к блоку обработки сигнала (анализатору оптоэлектрического сигнала) - на рисунках не показан.

На фигуре 2 показан продольный разрез этой ячейки. Конический стержень-вставка 6 зафиксирован внутри ячейки фиксаторами 7, обеспечивающими необходимый зазор 8 между стенками 9 ячейки 1 и внешней поверхностью стержня 6. Стенки 9 ячейки 1 и конический стержень-вставка 6 выполнены из прозрачных материалов с фиксированными оптическими плотностями.

Устройство работает следующим образом. Измерительная ячейка 1 со вставленным в нее вкладышем 6 с помощью переходников, в зависимости от объемных скоростей потока, вставляется в разрыв трубопровода или подключается параллельно потоку жидкой или газовой субстанции, содержащей взвешенные микрочастицы, концентрацию которых необходимо контролировать. Поток пускают через ячейку в зазор 8 между стенками 9 ячейки 1 и конической вставкой 6. При параллельном подключении, с помощью переключающей арматуры через ячейку пускают эквивалентную часть потока. Одновременно включают источник света 2, делитель светового потока 3, линейку фотоприемников 5 и блок обработки оптоэлектрического сигнала. Делитель светового потока 3 направляет локальные световые лучи 4 минимум через два разных сечения ячейки 1. По выходу из ячейки локальные световые лучи попадают на отдельные фотоприемники линейки фотоприемников (каждый луч на свой независимый фотоприемник).

В вариантном исполнении линейка фотоприемников выполняется монолитной, однородной по всей длине, а световые лучи пропускаются через разные сечения ячейки по очереди с пренебрежимо малой разницей во времени (доли миллисекунд), что может расцениваться (с точки зрения потока) как практически одновременно. При этом блоку управления этой микроскопической разницы во времени достаточно для различения этих световых лучей.

Оптическая плотность Di i-го сечения (участка) измерительной ячейки равна

D i = D с + D в i + D п i + D н , где

Dc - оптическая плотность стенок ячейки (величина постоянная),

D в i - оптическая плотность вставки в выбранном сечении (величина постоянная),

Dн - оптическая плотность пристеночного слоя (налета, отложений, осадка взвешенных веществ на стенках ячейки и вставки). Зависит от времени протекания процессов (времени протекания потока через ячейку). В любой фиксированный момент времени величина оптической плотности пристеночного слоя одинакова для любой точки на внутренней поверхности ячейки.

D п i - оптическая плотность субстанции потока; в конической ячейке зависит от толщины слоя в выбранном сечении.

Соответственно, разность оптических плотностей ячейки D1 и D2, зафиксированных в сечениях С1 и С2 (фигура 2), пропорциональна разности оптических плотностей потока в этих сечениях.

D 1 D 2 = ( D п 1 D п 2 ) + c o n s t

Поскольку существуют фиксированные зависимости оптической плотности от толщины слоя и концентрации примесей, сканирование световым лучом по разным толщинам ячейки позволяет вычленить «очищенную» оптическую плотность единицы объема потока и, как следствие, концентрацию загрязняющего компонента.

Анализатор оптоэлектрического сигнала (блок обработки сигнала) фиксирует ослабление светового потока (оптическую плотность ячейки) как минимум в двух точках (сечениях) ячейки 1. В соответствии с заложенным в него алгоритмом анализатор из полученных значений отбрасывает оптическую плотность налета на внутренних поверхностях ячейки и, используя предварительную калибровку, по «очищенной» оптической плотности потока рассчитывает и выдает исправленные значения концентрации микрочастиц в потоке.

Эти лишенные систематической погрешности, обусловленной налетом на внутренних поверхностях ячейки, значения концентрации микрочастиц в потоке анализатор выдает во время всего периода работы ячейки: с момента включения и до полной потери прозрачности ячейки.

Перед началом работы может быть проведена калибровка ячейки стандартным образом на модельной контролируемой субстанции по измерению светорассеяния в суспензиях с известной концентрацией микрочастиц.

После полной утраты прозрачности из-за налета на стенках грязную ячейку меняют на чистую или, при возможности, промывают (продувают) потоком увеличенной скорости.

Скорость оседания налета на стенках зависит от скорости потока субстанции. Для того чтобы скорость оседания частиц на поверхность стенок ячейки и вставки была одинаковой на всем протяжении ячейки, необходимо чтобы одинаковой была скорость потока, которая обратно пропорциональна площади проходного сечения ячейки. Для этого необходимо выдерживать равенство проходных площадей ячейки во всех ее сечениях по всей длине ячейки.

Пусть радиусы R1 и R2 - внутренние радиусы ячейки, а r1 и r2 - наружные радиусы вставки в сечениях С1 и С2 соответственно. То есть R1=1I/2, R2=2I/2, r1=1/2, r2=2/2 (фигура 2). Тогда площади проходных сечений С1 и С2 (фигура 2) равны:

S 1 = π ( R 1 2 r 1 2 ) , S 2 = π ( R 2 2 r 2 2 ) .

Из условия равенства площадей проходных сечений вытекает: R 1 2 r 1 2 = R 2 2 r 2 2 . И это соотношение должно быть выдержано по всей длине ячейки.

Дополнительными условиями соблюдения равенства толщины осадка на стенках ячейки и вставки и, как следствие, его оптической плотности являются обеспечение однородности (гладкости) внутренней поверхности ячейки и наружной поверхности прозрачной вставки, а также выбор зазора 8 (фигуры 1, 2) и положения ячейки относительно контролируемого потока такими, чтобы в условиях фактического применения ячейки предпочтительно обеспечивалась ламинарность потока.

Техническим результатом применения предлагаемого устройства в сравнении с прототипом является:

- уменьшение до нуля влияния загрязнения внутренних поверхностей ячейки налетом из содержащихся в потоке частиц, что обеспечивает повышение точности (достоверности) измерений концентраций частиц в объеме потока;

- а также возможность контроля различных сред как жидких, так и газовых (дымовых, пылевых), что означает расширение функциональности устройства.

1. Устройство контроля оптической плотности потока, содержащее измерительную ячейку, источник света, фотоприемник, блок обработки сигнала, отличающееся тем, что проточная измерительная ячейка выполнена в виде усеченного прозрачного или с прозрачными окнами конуса, в который вставлен и зафиксирован на заданном расстоянии от стенок ячейки сплошной или пустотелый прозрачный стержень конической формы таких размеров и таким образом, что разность квадрата внутреннего радиуса ячейки и квадрата наружного радиуса прозрачного стержня, измеренных в одном сечении ячейки, постоянна для всех сечений ячейки, источник света дополнен делителем светового потока, обеспечивающим сканирование световым лучом сечений ячейки по всей длине ячейки, а фотоприемник выполнен в виде линейки отдельных фотоприемников, содержащей как минимум два независимых фотоприемника.

2. Устройство контроля оптической плотности потока по п.1, отличающееся тем, что делитель светового потока и линейка фотоприемников расположены параллельно ячейке на противоположных сторонах измерительной ячейки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам для определения содержания воды в исследуемом объекте. Устройство содержит по меньшей мере один источник (2) измерительного излучения и, по меньшей мере, один источник (4) опорного излучения, направленные на поверхность (10) исследуемого объекта (1), а также, по меньшей мере, один детекторный элемент (3) для измерения интенсивности излучения, отраженного от поверхности исследуемого объекта, а также устройство для продува воздухом или газом, при помощи которого создается принудительное движение воздушной или газовой атмосферы в области оптического пути между, соответственно, по меньшей мере, одним источником (2) измерительного излучения и поверхностью (10) исследуемого объекта, и/или между, по меньшей мере, одним источником (4) опорного излучения и поверхностью (10) исследуемого объекта, и/или между поверхностью (10) исследуемого объекта и по меньшей мере, одним детекторным элементом (3).

Изобретение относится к области прикладной инфракрасной (ИК) спектроскопии и может быть использовано при оптических исследованиях порошкообразных материалов, преимущественно сильно поглощающих, в частности, таких как нанографит и другие углеродные наноматериалы.

Изобретение относится к средствам контроля емкостей, которые снабжены осветительными устройствами, и направлено на снижение затрат на их очистку. .

Изобретение относится к способам анализа примесей различных веществ в газе с применением фотоионизационного детектора. .

Изобретение относится к технике анализа газов и может быть использовано для определения концентрации искомого газа в газовой смеси. .

Изобретение относится к космической технике и предназначено для защиты иллюминаторов от воздействия различных малоразмерных, в том числе высокоскоростных, космических частиц.

Изобретение относится к технике анализа газов и может быть использовано для определения содержания таких газов как CO2, SO2, NO и т.п. .

Использование: для измерения продольного и сдвигового импендансов жидкостей. Сущность изобретения заключается в том, что с помощью ультразвукового преобразователя возбуждают в двух тонких волноводах различные нулевые моды нормальных волн, измеряют коэффициенты затухания каждого типа волны в волноводах и рассчитывают продольный и сдвиговый импедансы исследуемой жидкости, при этом волноводы акустического блока изготавливают в виде тонких полос различной толщины, возбуждают в них нулевую моду волны Лэмба, калибруют акустический блок путем последовательного измерения в обоих волноводах коэффициентов затухания нулевой моды волны Лэмба при их последовательном погружении в две жидкости с известными продольным и сдвиговым импедансами, из полученных уравнений рассчитывают коэффициенты, связывающие импедансы жидкости с коэффициентом поглощения волны Лэмба в волноводах, затем погружают волноводы в исследуемую жидкость, измеряют коэффициенты затухания нулевой моды волны Лэмба в обоих волноводах и с помощью найденных численных значений коэффициентов по известным соотношениям рассчитывают продольный и сдвиговый импедансы исследуемой жидкости.

Изобретение относится к способу и устройству для обнаружения загрязнений в текучей среде (1). Причем текучая среда (2), загрязненная частицами, подается с помощью первого дозирующего насоса (3) на устройство (4) для измерения загрязненности или плотности частиц в загрязненной текучей среде.

Использование: для контроля концентрации магнитных суспензий. Сущность изобретения заключается в том, что закрепляют ультразвуковой преобразователь вблизи одного из торцов тонкой пластины, находящейся в воздухе, преобразователь изготавливают и возбуждают таким образом, чтобы в пластине распространялась нормальная волна, чувствительная к продольному импедансу жидкости, например симметричная волна Лэмба нулевого порядка, принимают эхо-сигнал, отраженный от противоположного торца пластины, измеряют его амплитуду, затем начинают погружать пластину в измерительный сосуд, в который поступает контролируемая суспензия, до ее подачи к контролируемому изделию из ферромагнитных материалов обеспечивают перемещение пластины по направлению, перпендикулярному к поверхности эмульсии, при этом движение пластины и в воздухе, и в самой эмульсии производится с постоянной скоростью V, при этом продолжают измерения амплитуды эхо-сигнала, отраженного от противоположного торца пластины, с выбранной цикличностью, фиксируют момент начала погружения пластины в жидкость, например, по уменьшению амплитуды эхо-сигнала, запоминают численное значение амплитуды и момент времени, соответствующий этому уменьшению, затем включают измерение временного интервала, измеряют и запоминают численные значения амплитуды каждого n-го эхо-сигнала во время погружения, в момент времени Т, равный L/V (L - заранее выбранная глубина погружения), движение пластины прекращают, вычисляют коэффициент затухания эхо-сигналов на единицу длины и среднее значение коэффициента затухания, после чего по рассчитанному среднему значению и градуировке, которую проводят заранее на суспензиях с известными концентрациями магнитных частиц, судят о концентрации исследуемой суспензии.

Устройство (10) для анализа текучего вещества (18) объемом V содержит фильтр (12), который имеет поверхность фильтра (14) площадью A. При этом фильтр выполнен с возможностью пропускания текучего вещества через поверхность фильтра, объемная плотность потока текучего вещества, усредненная по поверхности фильтра, равна j mean.

Изобретение относится к области изготовления полимерных нанокомпозитов, которые могут быть использованы в качестве конструкционных материалов в космической, авиационной, строительной и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к способам контроля степени загрязнения моющих растворов минеральными примесями, смытыми с шерсти, при ее промывке в моечных агрегатах. Способ включает измерение плотности моющего раствора в г/см3 с одновременным измерением температуры испытуемого раствора в ванне моечного агрегата с последующим определением с помощью трехкоординатной номограммы по плотности в г/см3 и температуре в °C сухого остатка моющего раствора в г/дм3.

Изобретение относится к способу и устройству датчика для определения величины целевых частиц на контактной поверхности, прилегающей к пробоотборной камере, в которой могут обеспечиваться целевые частицы.

Изобретение относится к технической диагностике агрегатов машин, имеющих замкнутую систему смазки, и предназначено для анализа содержания продуктов загрязнения в работающем масле и экспресс-диагностики технического состояния машин.

Изобретение относится к способу оценки концентрации смолоподобных веществ в водной суспензии титрованием и может быть использовано в области экспериментальной и промышленной биотехнологии.

Группа изобретений относится к контролю (мониторингу) содержания механических примесей в потоках жидких сред. Способ контроля содержания механических примесей в рабочих жидкостях, в частности в жидком углеводородном топливе, заключается в том, что поток топлива пропускают, поддерживая постоянный расход, через систему фильтрующих перегородок с последовательно уменьшающимися размерами пор, при этом измеряют давление перед каждой фильтрующей перегородкой и давление за ней, вычисляют на основании изменения разности давлений гидравлическое сопротивление фильтрующей перегородки по времени, затем по полученным данным определяют степень засорения фильтрующей перегородки путем сравнения с имеющимися тарировочными данными, показывающими изменение гидравлического сопротивления фильтрующей перегородки в зависимости от содержания механических примесей, и на основе этих данных определяют количество в топливе механических примесей определенного размера. Также описано устройство и система для реализации способа. Достигается оперативный контроль (мониторинг) наличия в топливе механических примесей, их весового количества и распределения частиц по размерным диапазонам при оценке эффективности схемы подготовки топлива. 3 н. и 4 з.п. ф-лы,2 ил.
Наверх