RU170284U1 - Device for express analysis of aqueous media in a stream - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике и касается устройства для экспресс-анализа водных сред в потоке. Устройство включает излучатель света, две идентичные проточные измерительные кюветы с патрубками для ввода и вывода жидкости, оптические окна для ввода и вывода излучения, фотоприемники сигналов измерительных каналов и дифференциальный усилитель. В измерительные кюветы помещены два электрода таким образом, чтобы линии, соединяющие оптические окна кюветы, проходили между ними перпендикулярно линии, проведенной между этими электродами. Излучатель света выполнен в виде кластера инфракрасных светодиодов, включенных в электрическую цепь автоматической регулировки уровня излучения через связанные между собой фотодиод и управляющий блок. Технический результат заключается в повышении качества анализа состава водных сред. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.The utility model relates to measuring technique and relates to a device for express analysis of aqueous media in a stream. The device includes a light emitter, two identical flow-through measuring cuvettes with nozzles for input and output of liquid, optical windows for input and output of radiation, photodetectors of the signals of the measuring channels and a differential amplifier. Two electrodes are placed in the measuring cuvettes so that the lines connecting the optical windows of the cuvette extend between them perpendicular to the line drawn between these electrodes. The light emitter is made in the form of a cluster of infrared LEDs included in the electrical circuit for automatically adjusting the radiation level through interconnected photodiode and control unit. The technical result consists in improving the quality of the analysis of the composition of aqueous media. 3 s.p. f-ly, 1 ill.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и экспресс-анализу состава природных и сточных вод, конкретно к устройствам для контроля содержания растворенных и диспергированных в водных средах примесей на любой стадии технологической обработки или мониторинга.The utility model relates to measuring technique and rapid analysis of the composition of natural and wastewater, specifically to devices for controlling the content of impurities dissolved and dispersed in aqueous media at any stage of technological processing or monitoring.

Известно устройство для экспресс-анализа водных сред /Лапшин А.И., Жуков Б.Д. Простой проточный узел флуоресценции и нефелометрии. Сб. тезисов конференции ПМГИ-92. «Проблемы метрологии гидрофизических измерений». М., 1992, 189 с./, пригодное для массовых оценочных измерений флуоресценции и оптической плотности исследуемых растворов. Устройство представляет собой проточный флуориметр-нефелометр, позволяющий определять одновременно два показателя качества воды: комплекс органических веществ и оптическую плотность.A device for the rapid analysis of aqueous media / Lapshin A.I., Zhukov B.D. A simple flow unit for fluorescence and nephelometry. Sat abstracts of the conference PMGI-92. "Problems of metrology of hydrophysical measurements." M., 1992, 189 pp. /, Suitable for mass evaluative measurements of fluorescence and optical density of the studied solutions. The device is a flow-through fluorimeter-nephelometer, which allows to simultaneously determine two indicators of water quality: a complex of organic substances and optical density.

Однако это устройство не позволяет измерять электропроводность растворов и дает неустойчивые результаты в присутствие воздушных пузырей.However, this device does not allow measuring the conductivity of solutions and gives unstable results in the presence of air bubbles.

Известно устройство для экспресс-анализа водных сред в потоке (измеритель оптической плотности водных сред, А.С. SU №1807346 А1, МПК G01N 21/47, БИ №13, 1993), содержащее источник света, иллюминаторы, фотоприемник, клапан, фильтр, крышки, шток, зажим и эталоны.A device for the rapid analysis of aqueous media in a stream (a meter of optical density of aqueous media, AS SU No. 1807346 A1, IPC G01N 21/47, BI No. 13, 1993), containing a light source, portholes, photodetector, valve, filter , covers, stock, clamp and standards.

Недостатком указанного устройства является низкая точность измерения, обусловленная невозможностью поддержания надлежащей ориентации прибора в пространстве, периодическими перенастройками и быстрым загрязнением иллюминаторов. Кроме того, частые перенастройка, очистка и связанные с этим сборка и разборка прибора усложняют его эксплуатацию.The disadvantage of this device is the low accuracy of the measurement, due to the inability to maintain proper orientation of the device in space, periodic reconfigurations and rapid contamination of the windows. In addition, frequent reconfiguration, cleaning, and related assembly and disassembly of the device complicate its operation.

Недостатком упомянутых аналогов является также погрешность измерения, обусловленная нестабильностью источника света и регистрацией фонового излучения, фиксируемого по причине оптической и гидравлической негерметичности измерительной полости.The disadvantage of these analogues is also the measurement error due to the instability of the light source and the registration of background radiation, recorded due to the optical and hydraulic leaks of the measuring cavity.

Известно устройство для экспресс-анализа водных сред в потоке - прототип («Дифференциальный измеритель оптической плотности жидкой среды при культивировании фитомассы», патент РФ №120229, МПК G01N 21/00, опубл. 10.09.2012). Указанное устройство содержит излучатель света с конденсором, опорный и измерительный оптические каналы, измерительные кюветы, расположенные на пути лучей опорного и измерительного каналов, фотоприемники сигналов опорного и измерительного каналов и дифференциальный усилитель, а также систему трубопроводов с вентилями.A device for the express analysis of aqueous media in a stream is known as a prototype (“Differential meter of optical density of a liquid medium during cultivation of phytomass”, RF patent No. 120229, IPC G01N 21/00, publ. 09/10/2012). The specified device contains a light emitter with a condenser, reference and measuring optical channels, measuring cuvettes located in the path of the rays of the reference and measuring channels, photodetectors of the signals of the reference and measuring channels and a differential amplifier, as well as a piping system with valves.

Прототип работает недостаточно эффективно, поскольку результаты измерений существенно зависят от внешних факторов: температуры, фонового постоянного и переменного излучения, а также не представлены в абсолютных величинах оптической плотности. Кроме того, качество анализа состава водной среды с помощью прототипа недостаточно, поскольку анализ ограничен измерением только одного параметра, характеризующего дисперсный состав водной среды, а именно оптической плотности водных сред, содержащих дисперсную фазу (фитопланктон). Между тем для полноценного качественного анализа водной среды не менее важной является информация о содержании растворенных примесей (минерализации) анализируемой водной среды, которую представляют данные о ее электропроводности.The prototype does not work effectively enough, since the measurement results depend significantly on external factors: temperature, background constant and variable radiation, and are also not represented in absolute values of optical density. In addition, the quality of the analysis of the composition of the aqueous medium using the prototype is not enough, since the analysis is limited to measuring only one parameter characterizing the dispersed composition of the aqueous medium, namely the optical density of aqueous media containing a dispersed phase (phytoplankton). Meanwhile, for a complete qualitative analysis of the aquatic environment, information on the content of dissolved impurities (mineralization) of the analyzed aquatic environment, which is represented by data on its electrical conductivity, is no less important.

Задачей (общим техническим решением) настоящего изобретения является повышение качества анализа состава водных сред за счет измерения интегральной характеристики среды, включающей данные одновременного измерения оптической плотности и электропроводности в заданном участке потока анализируемой водной среды.The objective (general technical solution) of the present invention is to improve the quality of the analysis of the composition of aqueous media by measuring the integral characteristics of the medium, including the data of simultaneous measurement of optical density and electrical conductivity in a given section of the flow of the analyzed aqueous medium.

Поставленная задача решается тем, что в устройство, включающее излучатель света, две идентичные проточные измерительные кюветы с патрубками для ввода и вывода жидкости, оптические окна для ввода и вывода излучения и фотоприемники сигналов измерительных каналов, дифференциальный усилитель, в измерительные кюветы помещены два электрода таким образом, чтобы линии, соединяющие оптические окна кюветы, проходили между ними перпендикулярно линии, проведенной между этими электродами, а излучатель света выполнен в виде кластера инфракрасных светодиодов, включенных в электрическую цепь автоматической регулировки уровня излучения через связанные между собой фотодиод и управляющий блок.The problem is solved in that in a device including a light emitter, two identical flow-through measuring cuvettes with nozzles for input and output of liquid, optical windows for input and output of radiation and photodetectors of the signals of the measuring channels, a differential amplifier, two electrodes are placed in the measuring cuvets in this way so that the lines connecting the optical windows of the cell pass between them perpendicular to the line drawn between these electrodes, and the light emitter is made in the form of an infrared cluster with LEDs included in the electric circuit for automatically adjusting the radiation level through interconnected photodiode and control unit.

Также поставленная задача решается тем, что в предлагаемом устройстве оптические окна для входа и выхода излучения расположены напротив друг друга и выполнены в виде утончения стенки кюветы в диапазоне 150-200 микрон.Also, the problem is solved by the fact that in the proposed device, the optical windows for input and output of radiation are located opposite each other and are made in the form of thinning the wall of the cell in the range of 150-200 microns.

Также поставленная задача решается тем, что предлагаемое устройство выполнено на основе генератора импульсов подключенного к синхронным детекторам оптических измерительных каналов и генератора переменного тока, подключенного к синхронным детекторам измерительных каналов электропроводности.Also, the problem is solved in that the proposed device is based on a pulse generator connected to synchronous detectors of the optical measuring channels and an alternating current generator connected to synchronous detectors of the measuring conductivity channels.

Также поставленная задача решается тем, что в предлагаемом устройстве микропроцессор связан по интерфейсу RS-485 с внешним компьютером.Also, the problem is solved by the fact that in the proposed device the microprocessor is connected via an RS-485 interface to an external computer.

На чертеже представлена структурная схема устройства для экспресс-анализа водных сред в потоке.The drawing shows a structural diagram of a device for rapid analysis of aqueous media in a stream.

Устройство (чертеж) содержит измерительные каналы оптические и электропроводности двух идентичных проточных кювет К1 и 2 и оптический канал системы автоматической регулировки уровня излучения.The device (drawing) contains optical measuring channels and electrical conductivity of two identical flow cells K1 and 2 and an optical channel of the automatic radiation level adjustment system.

Оптический канал системы автоматической регулировки уровня излучения образован излучателем СДК 3 из кластера светодиодов, включенных в электрическую цепь автоматической регулировки уровня излучения через связанные между собой фотодиод ФД 4 и управляющий блок УБ 5.The optical channel of the system for automatically adjusting the radiation level is formed by the SDK 3 emitter from a cluster of LEDs included in the electric circuit for automatically adjusting the radiation level through the PD 4 photodiode and control unit UB 5 connected to each other.

Оптический измерительный канал первой кюветы К1 образован последовательно соединенными фотодиодным приемником ФД 6, усилителем импульсов УИ 7 и синхронным детектором СД 8, а оптический измерительный канал второй кюветы К2 образован фотодиодным приемником ФД 9, усилителем импульсов УИ 10 и синхронным детектором СД 11. Синхронные детекторы СД 8 и СД 11 связаны с генератором импульсов ГИ 12, а также с дифференциальным усилителем фотоприемников ДУФ 13, подключенным к микропроцессору МП 14.The optical measuring channel of the first cuvette K1 is formed by a PD 6 photodiode receiver, a pulse amplifier UI 7 and a synchronous detector SD 8, and the optical measuring channel of the second cell K2 is formed by a photodiode receiver FD 9, a pulse amplifier UI 10 and a synchronous detector SD 11. Synchronous LED detectors 8 and LED 11 are connected with a pulse generator GI 12, as well as with a differential amplifier of photodetectors DUF 13 connected to the microprocessor MP 14.

Каналы электропроводности подключены к общему генератору синусоидального напряжения ГСН 15. В канал кюветы К1 также входят последовательно соединенные усилитель напряжения УН 16, синхронный детектор СД 17 и два электрода Э18. Канал электропроводности кюветы К2 образован последовательно соединенными усилителем напряжения УН 19, синхронным детектором СД 20 и двумя электродами Э21. Синхронные детекторы СД 17 и СД 20 подключены к дифференциальному усилителю электропроводности ДУЭ 22. Электроды в каждой кювете размещены таким образом, чтобы линии, соединяющие оптические окна кюветы, проходили между ними перпендикулярно линии, проведенной между этими электродами.The conductivity channels are connected to a common generator of sinusoidal voltage of the GSN 15. The channel of the cell K1 also includes series-connected voltage amplifier UN 16, a synchronous detector SD 17 and two electrodes E18. The channel of electrical conductivity of the cell K2 is formed by series-connected voltage amplifier UN 19, a synchronous detector SD 20 and two electrodes E21. Synchronous detectors СД 17 and СД 20 are connected to the differential conductivity amplifier ДУЭ 22. The electrodes in each cuvette are placed so that the lines connecting the optical windows of the cuvette pass between them perpendicular to the line drawn between these electrodes.

Каждая кювета изготовлена из фторопласта Ф4, снабжена патрубками для ввода и вывода анализируемой жидкости, электродами, а также оптическими окнами для входа и выхода излучения, выполненными напротив друг друга в виде утончения стенки кюветы в диапазоне 150-200 микрон.Each cuvette is made of F4 fluoroplastic, equipped with nozzles for input and output of the analyzed liquid, electrodes, and also optical windows for input and output of radiation, made opposite to each other in the form of thinning of the cell wall in the range of 150-200 microns.

Источник излучения изготовлен из светодиодов 860 нм типа L934SF6, приемник излучения - из фотодиодов BPW24. В качестве усилителей импульсов и напряжения использовались микросхемы AD 711. Синхронные детекторы выполнены на базе микросхем 4052 и OYAD711, а дифференциальные усилители на базе микросхем AD711. Использовались также генератор синусоидального напряжения AD9834, генератор импульсов AD9834, микропроцессор Atmega 128 фирмы Atmel, преобразователь RS-485 и термодатчик DS18520.The radiation source is made of 860 nm LEDs of the L934SF6 type, the radiation receiver is made of BPW24 photodiodes. Chips AD 711 were used as pulse and voltage amplifiers. Synchronous detectors are based on 4052 and OYAD711 chips, and differential amplifiers are based on AD711 chips. The AD9834 sine wave generator, AD9834 pulse generator, Atmel Atmega 128 microprocessor, RS-485 converter and DS18520 temperature sensor were also used.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.

Регистрация и преобразование аналитических сигналов при определении оптической плотности и электропроводности выполняются одновременно. Через одну из камер датчика пропускают контрольную (очищенную) воду, а через другую камеру анализируемую жидкость и считывают показания от электродных систем и от фотоприемников. Затем аналоговые сигналы преобразуются в цифровые и направляются через канал связи на центральный компьютер, с помощью которого происходит их дальнейшая обработка и выдача результатов анализа.Registration and conversion of analytical signals in determining optical density and electrical conductivity are performed simultaneously. Control (purified) water is passed through one of the sensor chambers, and the analyzed liquid is passed through the other chamber and readings from electrode systems and photodetectors are read. Then, the analog signals are converted to digital and sent through the communication channel to the central computer, with the help of which they are further processed and the analysis results are output.

Измерение оптической плотности осуществляется импульсным методом. Это позволяет исключить импульсную засветку. При любом режиме работы поддерживается стабильная работа излучателя СДК 3. С этой целью излучение одновременно подается на проточные кюветы К1, К2 и фотодиодный приемник ФД 4. Принятое фотодиодным приемником ФД 4 излучение обрабатывается с помощью системы автоматической регулировки уровня на основе управляющего блока УБ 4, которая стабилизирует режим работы излучателя СДК 3.The measurement of optical density is carried out by a pulsed method. This eliminates pulsed illumination. In any operating mode, stable operation of the SDK 3 emitter is maintained. To this end, the radiation is simultaneously fed to the flow cells K1, K2 and the PD 4 photodiode receiver. The radiation received by the 4 PD photodiode receiver is processed using an automatic level control system based on the UB 4 control unit, which stabilizes the operating mode of the emitter SDK 3.

Прошедшее через кюветы К1 и К2 излучение попадает на фотодиоды ФД 6 и ФД 9. Сигналы от фотодиодов проходят через усилители импульсов УИ 7 и УИ 10, а затем поступают на синхронные детекторы СД 8 и СД 11, связанные с генератором импульсов ГИ 12. На выходе из синхронных детекторов получаются аналоговые сигналы канала кюветы К1 и канала кюветы К2, пропорциональные абсолютным значениям оптической плотности. Вся схема синхронизируется с помощью генератора импульсов ГИ 12. При необходимости с помощью дифференциального усилителя фотоприемников ДУФ 13 получается разностный сигнал от каналов кювет К1 и К2, который направляется на микропроцессор МП 14.The radiation that passed through the K1 and K2 cuvettes enters the PD 6 and PD 9 photodiodes. The signals from the photodiodes pass through the pulse amplifiers UI 7 and UI 10, and then go to the synchronous detectors SD 8 and SD 11 connected to the pulse generator GI 12. At the output from synchronous detectors, analog signals of the cuvette channel K1 and the cuvette channel K2 are obtained, which are proportional to the absolute values of the optical density. The whole circuit is synchronized using the pulse generator GI 12. If necessary, using the differential amplifier of the photodetectors DUF 13, a difference signal is obtained from the channels of the cells K1 and K2, which is sent to the microprocessor MP 14.

Определение электропроводности.Determination of electrical conductivity.

Электроды Э 18 и Э 21 размещены таким образом, чтобы между ними через электродное пространство прошло излучение от кластера светодиодных излучателей СДК 3. Это обеспечивает одновременное считывание аналитических сигналов по оптической плотности и электропроводности исследуемой водной среды.The electrodes E 18 and E 21 are placed in such a way that radiation from the cluster of LED emitters SDK 3 passes through the electrode space between them. This ensures the simultaneous reading of analytical signals from the optical density and electrical conductivity of the studied aqueous medium.

Аналитические сигналы электропроводности формируются с помощью генератора синусоидального напряжения ГСН 15 и усилителей напряжения УН 16 и УН 19; подавление помех осуществляется с помощью синхронных детекторов СД 17 и СД 20. Для последующей обработки они направляются на дифференциальный усилитель электропроводности ДУЭ 22, а затем на микропроцессор МП 14.Analytical signals of electrical conductivity are generated using a sinusoidal voltage generator ГСН 15 and voltage amplifiers УН 16 and УН 19; interference suppression is carried out using synchronous detectors SD 17 and LED 20. For subsequent processing, they are sent to a differential conductivity amplifier DUE 22, and then to the microprocessor MP 14.

Температурный режим работы излучателя поддерживается по схеме автоматической регулировки уровня излучения с помощью термодатчика ТД 23, подключенного к микропроцессору МП 14.The temperature regime of the emitter is maintained according to the scheme of automatic adjustment of the radiation level using a temperature sensor TD 23 connected to the microprocessor MP 14.

Микропроцессор МП 14 оцифровывает значения аналоговых сигналов для всех каналов как при измерении оптической плотности, так и при измерении электропроводности, а также обеспечивает связь с центральным компьютером с помощью преобразователя RS-485 24 и ведет журнал событий в случае автономной работы.The microprocessor MP 14 digitizes the values of analog signals for all channels both when measuring optical density and when measuring electrical conductivity, and also provides communication with a central computer using the RS-485 24 converter and keeps an event log in case of autonomous operation.

Калибровка датчика и промывка кювет осуществляются пропусканием через кюветы одного и того же раствора сравнения или чистой воды соответственно. В этих случаях о высоком качестве процедуры свидетельствует минимальная разница между показаниями датчика по обоим измерительным каналам.Calibration of the sensor and flushing the cuvettes are carried out by passing through the cuvettes the same solution of comparison or pure water, respectively. In these cases, the high quality of the procedure is indicated by the minimum difference between the sensor readings on both measuring channels.

В качестве контрольного раствора используется либо стандартный раствор сравнения, либо раствор, прошедший заданную стадию водообработки. В последнем случае разности между двумя показаниями датчика соответствуют убыли концентрации примеси непосредственно в ходе технологической обработки стока. Такие оценки в минимальной степени подвержены фоновым искажениям, связанным с изменением состояния поверхности чувствительных к составу исследуемой среды узлов датчика.As a control solution, either a standard comparison solution or a solution that has passed a given stage of water treatment is used. In the latter case, the differences between the two readings of the sensor correspond to a decrease in the concentration of impurities directly during the technological treatment of the runoff. Such estimates are minimally susceptible to background distortions associated with a change in the surface state of the sensor nodes that are sensitive to the composition of the medium under study.

Таким образом, общим техническим решением настоящего изобретения является повышение качества анализа состава водных сред за счет измерения интегральной характеристики среды, включающей данные одновременного измерения оптической плотности и электропроводности в заданном участке потока водной среды.Thus, a general technical solution of the present invention is to improve the quality of the analysis of the composition of aqueous media by measuring the integral characteristics of the medium, including data on the simultaneous measurement of optical density and conductivity in a given section of the flow of the aqueous medium.

Также технический эффект от использования предлагаемого устройства заключается в повышении эффективности работы устройства за счет того, что излучатель света выполнен в виде кластера инфракрасных светодиодов, включенных в электрическую цепь автоматической регулировки уровня излучения через связанные между собой фотодиод и управляющий блок.Also, the technical effect of using the proposed device is to increase the efficiency of the device due to the fact that the light emitter is made in the form of a cluster of infrared LEDs included in the electric circuit for automatically adjusting the radiation level through interconnected photodiode and control unit.

Claims (4)

1. Устройство для экспресс-анализа водных сред в потоке, включающее излучатель света, две идентичные проточные измерительные кюветы с патрубками для ввода и вывода жидкости, оптические окна для ввода и вывода излучения и фотоприемники сигналов измерительных каналов, дифференциальный усилитель, отличающееся тем, что в измерительные кюветы помещены два электрода таким образом, чтобы линии, соединяющие оптические окна кюветы, проходили между ними перпендикулярно линии, проведенной между этими электродами, а излучатель света выполнен в виде кластера инфракрасных светодиодов, включенных в электрическую цепь автоматической регулировки уровня излучения через связанные между собой фотодиод и управляющий блок.1. A device for express analysis of aqueous media in a stream, including a light emitter, two identical flow-through measuring cuvettes with nozzles for input and output of liquid, optical windows for input and output of radiation and photodetectors of the signals of the measuring channels, a differential amplifier, characterized in that measuring electrodes placed two electrodes so that the lines connecting the optical windows of the cell passed between them perpendicular to the line drawn between these electrodes, and the light emitter is made in the form e cluster of infrared LEDs included in the electrical circuit for automatically adjusting the radiation level through interconnected photodiode and control unit. 2. Устройство для экспресс-анализа водных сред в потоке по п. 1, отличающееся тем, что предлагаемое устройство содержит генератор импульсов, подключенный к синхронным детекторам оптических измерительных каналов и генератор переменного тока, подключенный к синхронным детекторам измерительных каналов электропроводности.2. A device for the express analysis of aqueous media in a stream according to claim 1, characterized in that the proposed device comprises a pulse generator connected to synchronous detectors of optical measuring channels and an alternating current generator connected to synchronous detectors of measuring conductivity channels. 3. Устройство для экспресс-анализа водных сред в потоке по п. 1, отличающееся тем, что в предлагаемом устройстве оптические окна для входа и выхода излучения выполнены напротив друг друга в виде утончения стенки кюветы в диапазоне 150-200 микрон.3. A device for the express analysis of aqueous media in a stream according to claim 1, characterized in that in the proposed device, the optical windows for input and output of radiation are made opposite each other in the form of a thinning of the cell wall in the range of 150-200 microns. 4. Устройство для экспресс-анализа водных сред в потоке по п. 1, отличающееся тем, что в предлагаемом устройстве дифференциальный усилитель соединен с микропроцессором, связанным по интерфейсу RS-485 с внешним компьютером.4. A device for the express analysis of aqueous media in a stream according to claim 1, characterized in that in the proposed device a differential amplifier is connected to a microprocessor connected via an RS-485 interface to an external computer.

Images