Технические науки/6. Электротехника и радиоэлектроника

Харисова З.И. , Дмитриев О.А.

Уфимский государственный авиационный технический университет, Россия

Нейтрализация влияния отклонений струи

в бесконтактных струйных нефелометрах

На сегодняшний день оценка качества питьевой воды – комплексная задача, решаемая путем определения ряда ее физико-химических показателей в лабораторных или полевых условиях. Для проведения анализа воды во многих отраслях современных производств и науки используются мутномеры – приборы для оценки концентрации взвешенной дисперсной фазы в жидких дисперсных системах. В полевых условиях, когда требуется длительная работа приборов без обслуживания, а дисперсная фаза бывает липкой и образует непроницаемые для света отложения на датчиках, часто наилучшим вариантом реализации мутномеров являются так называемые бесконтактные струйные нефелометры.

Важным и наглядным показателем качества воды является её мутность – оптический параметр среды, характеризующий ее способность пропускать свет. Причина замутненности жидкости – твердая дисперсная фаза, находящаяся в ней.

Мутномеры строят обычно по одной из двух схем [1]:

1) на основе турбидиметра, включающего в себя излучатель и фотоприемник, направленные друг на друга, при этом фотоприемник воспринимает прошедшее через среду ослабленное излучение;

2) на основе нефелометра, который также имеет в своем составе излучатель и фотоприемник, но их оси развернуты под некоторым углом (обычно 90°), при этом фотоприемник воспринимает рассеиваемое дисперсными частицами среды излучение.

В последнее время широкое распространение получила группа бесконтактных нефелометров - приборов, в которых отсутствует прямой контакт окон излучателей и фотоприемников с исследуемой жидкой средой. Чаще всего они разделены воздушным промежутком. Бесконтактные мутномеры имеют по сравнению с контактными преимущество в том, что они не подвержены влиянию паразитных отложений на окнах излучателей и фотоприемников, а следовательно, могут значительно дольше работать на полевых объектах без обслуживания.

Существует две разновидности струйных бесконтактных нефелометров – с поперечным и продольным просвечиванием струи. И в той, и в другой схеме в конструкции присутствует в качестве обязательного элемента сосуд-стабилизатор с патрубком для подвода исследуемой жидкости в боковой части и сливом через донную горловину. Сосуд-стабилизатор открыт в верхней части, и излишки жидкости переливаются через его края и выводятся через дренажную систему. Таким образом, осуществляется стабилизация уровня и обеспечивается равномерное вытекание струи через донную горловину.

В нефелометрах с поперечным просвечиванием струи излучатели и фотоприемники располагают в плоскости поперечного сечения струи. К достоинствам таких устройств можно отнести компактность конструкций и возможность быстрой калибровки по стандартному образцу мутности. Однако в полевых условиях эксплуатация таких приборов связана со следующей трудностью. Случайные отклонения струи от вертикали или небольшой перекос установки корпуса приводят к серьезным погрешностям измерений и заливанию исследуемой жидкостью оптических элементов.

Структура нефелометра с продольным просвечиванием струи впервые запатентована швейцарской фирмой Sigrist Photometer [2]. Здесь излучатель расположен над сосудом-стабилизатором соосно с донной горловиной. Фотоприемник установлен под прямым углом к оси струи и воспринимает излучение, рассеиваемое взвешенными частицами жидкости. Достоинством этой схемы является возможность измерений очень малых значений мутности. Однако нефелометр не избавлен от погрешностей, связанных с отклонениями струи, что вызвано случайными факторами (переменная составляющая погрешности) и перекосом корпуса при установке прибора (постоянная составляющая погрешности). Кроме того, отдельной проблемой при работе в полевых условиях является возможное замерзание жидкости при низких температурах.

В предлагаемом струйном нефелометре с мультисенсорным фотоприемным устройством в отличие от мутномеров, подобных WTM-500 компании Sigrist Photometer, используется не один фотоприемник, а фотоприемная матрица, охватывающая струю. Разработанная математическая модель позволила выявить оптимальное число равномерно распределенных по окружности матрицы фотоприемников (8 фотоприемников), при котором обеспечивается минимальная относительная погрешность (порядка 3%), практически не уменьшающаяся при дальнейшем наращивании числа фотоприемников.

Предложенный нефелометр, в котором минимизировано влияние отклонений струи от вертикали, пригоден для круглогодичных полевых измерений и контроля качества воды, способен измерять малые значения мутности и имеет низкую норму обслуживания.

Улучшить результат позволяет применение метода с предварительным извлечением корня из сигнала каждого фотоприемника.

Основной формулой, характеризующей разработанную математическую модель, является зависимость:

(1)

где u_i - значение выходного сигнала фотоприемника, f(I)-значение интенсивности испускаемого струей света, R - радиус кольцевого фотодетектора, ∆ - величина линейного отклонения струи относительно центра кольцевого фотодетектора, α - угол отклонения струи относительно положительного направления оси X в выбранной системе координат, N – количество ФП в матрице, i – номер ФП в матрице.

Как видно из формулы (1), в пределе уровень сигнала фотоприемника обратно пропорционален квадрату расстояния до струи. Основываясь на этом, авторы разработали дополнительный метод устранения влияния девиаций с извлечением корней из значений сигнала каждого фотоприемника. Извлечение может выполняться как аналоговым путем (с использованием схемы извлечения корня на базе прецизионного операционного усилителя), так и цифровым (используя оцифрованные значения сигнала и вычислительные возможности контроллера). Этот метод используется совместно с первым (использование кольцевой матрицы) и призван уменьшить погрешность ещё больше. Так как сигнал зависит от второй степени расстояния, предполагалось, что необходимо извлекать квадратный корень из значения сигнала.

При моделировании было выяснено, что оптимальным решением действительно является извлечение квадратного корня из значения сигнала каждого фотоприемника с последующим суммированием полученных результатов. На рисунке 1 показаны результаты моделирования при использовании данного метода. Как видно из графиков, отклонение сигнала уменьшается при увеличении числа фотоприемников, однако, до гораздо меньших величин в сравнении с простым использованием кольцевого фотодетектора (без преобразований сигналов) при одинаковом числе фотоприемников.

Оптимальными решениями признаются варианты с использованием нескольких фотоприемников в фотодетекторе и применения операции извлечения корня из их сигналов до суммирования (погрешность составляет около 0,6% для четырех фотоприемников и 0,5% - для восьми фотоприемников).

Рис. 1. Зависимость отклонения уровня сигнала многоэлементного фотодетектора от параметров отклонения струи при разном количестве фотоприемников и использовании метода с извлечением корня

Полученные теоретические зависимости сигналов фотоприемников от отлонений струи были проверены экспериментально на специальном макете (рис.2). Результаты эксперимента подтвердили правильность вышеизложенных теоретических предположений и расчетов.

Рис.2 Макет струйного нефелометра с 4-сенсорным фотоприемным устройством

Список литературы:

1. Фетисов В.С. Фотометрические полевые средства измерений концентрации жидких дисперсных систем. – Уфа: УГАТУ, 2005. – 233 с.

2. Нефелометр WTM-500 // Справочная информация компании «Сигрист фотометр» / Sigrist-Photometer AG CH-6373 [Ennetbürgen, 2013]. URL: [http://www.photometer.com/en/products/details/specification.html?productid=19] (дата обращения 23.02.2013).