CC BY
127
УДК 681.586.5:621.384.3 Е.Ю. Кутенкова СГГА, Новосибирск
РАЗРАБОТКА ОПТОЭЛЕКТРОННОГО ФОТОКОЛОРИМЕТРА ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ЖИДКИХ СРЕД
В данной работе предлагается конструкция оптоэлектронного фотоколориметра. Отличительными особенностями, которого является то, что кювета выполнена стационарно и может устанавливаться в ходе технологического процесса перекачки жидкости, при этом каждый параметр контролируется четырьмя оптронами открытого канала, а точность измерения повышается за счет двукратного прохождения излучения через исследуемый объект.
E.Yu. Kutenkova SSGA, Novosibirsk
DEVELOPMENT OF OPTOELECTRONIC PHOTOCOLORIMETER FOR AUTOMATED ANALYSIS OF FLUID MEDIA
The paper presents the construction of optoelectronic photocolorimeter featuring the fixed cuvette which can be set during the technological process of liquid pumping, with each parameter being controlled by the open-channel optrons and measurement accuracy being increased due to the radiation double passing through the object under study.
Фотоколориметры применяются в различных областях народного хозяйства для анализа жидких сред или дискретного контроля параметров объектов и для управления технологическим процессом в пищевой, химической, металлургической промышленности, в сельском хозяйстве, на предприятиях водоснабжения, нефтепереработки, медицине для контроля за состоянием человека и в других областях народного хозяйства.
Существуют стандартизованные методы контроля жидких сред, в которых используют колориметрический способ. Так, например, для определения цвета нефтепродуктов применяются стандартные лабораторные методы: для смазочных масел, печных и дизельных топлив и других нефтепродуктов по ГОСТ 20284 - 74 или ASTMD 1500 (США); для этилированных бензинов по ГОСТ 20924 - 75 или ASJMD 2392 (США) и т.д.
Во всех этих стандартизованных методах используют колориметрический способ контроля. Следовательно, процесс автоматизации измерения цвета нефтепродуктов на технологическом потоке сводится к разработке и
применению автоматических фотоэлектрических колориметров непрерывного действия.
Для непрерывного контроля за цветом нефтепродуктов на технологических потоках промышленностью выпускаются автоматические фотоэлектрические колориметры. В приборах используют дифференциальный метод измерения светопоглощения. Сравнительным образцовым средством может быть светофильтр из цветных стекол или подобранная жидкость с равноценной спектральной характеристикой. Отношение оптической плотности контролируемого продукта к оптической плотности образцового средства и измеряют при помощи оптической системы с электрической компенсацией. Пропорционально изменению отношения оптических плотностей изменяется выходное напряжение, подаваемое на регистрирующий прибор.
Например, для нефтепродуктопроводов разработан специализированный автоматический фотоэлектрический колориметр погружного типа для контроля за границами раздела последовательно перекачиваемых бензинов [1].
В верхней части корпуса 1 фотоэлектрического датчика (рис. 1) имеется отверстие, закрываемое крышкой 9 с прокладкой 8, обеспечивающее доступ во внутреннюю полость датчика. С двух сторон корпуса установлены штепсельные разъемы 4 и 13. В стенки корпуса герметично вклеены прозрачные защитные окна 7 и 10, которые изготовляют из стекла или пластмассы, пропускающие световой поток в видимой и ИК-областях спектра. Перед защитным окном 7 установлены два источника излучения: 5 для работы в видимой области спектра, 3 для калибровки показаний датчика в ИК-области. Между источником излучения 5 и окном 7 расположен интерференционный светофильтр 6, пропускающий видимую часть спектра, а перед источником излучения 3 установлен инфракрасный интерференционный светофильтр 2.
Перед защитным окном 10 находятся фоторезисторы 12 и 14, воспринимающие световой поток видимой части спектра при контроле за бензином и инфракрасное излучение при калибровке датчика. Светофильтр 11, установленный перед фоторезистором 12, пропускает излучение в видимом (зеленом) и инфракрасном диапазонах спектра, а светофильтр 15, установленный перед фоторезистором 14, - излучение в видимом (красном) и инфракрасном диапазонах спектра.
Источники излучения 3, 5 и фоторезисторы 12, 14 с помощью проводов подключены к штепсельным разъемам 4 и 13.
Рис 1. Конструкция фотоэлектрического датчика
Использование зеленого и красного светофильтров повышает чувствительность и точность контроля за цветом перекачиваемых бензинов и их смесей. Например, отношение пропусканий излучения красного и зеленого светофильтров для коммерческого и премиального бензинов изменяется от 0,9 до 7, т.е. максимальный предел отношений на границах раздела бензинов довольно высокий - 8:1. Кроме приведенного датчика в состав
фотоэлектрического колориметра входят электронное устройство, блок питания и регистрирующий прибор.
Недостатками данного датчика является то, что контролируемая жидкость в данном случае заливается в отверстие датчика и при этом необходимо обеспечивать герметичность при контроле. Для каждого последующего анализа необходимо извлекать кювету мыть и протирать оптические поверхности от потеков исследуемой жидкости и заполнять очередной пробой. Использование светофильтров, с одной стороны, повышает чувствительность, а с другой -усложняет конструкцию, и вносит определенные погрешности.
В данной работе предлагается следующая конструкция оптоэлектронного колориметра для контроля цвета полупрозрачных жидкостей, в том числе нефтепродуктов, который лишен выше указанных недостатков. Блок-схема фотоколориметра представлена на рис. 2, а на рис. 3 конструктивное выполнение датчика [2].
Оптоэлектронный фотоколориметр состоит из задающего генератора 1 (источника импульсного питания), коммутатора 2, светоизлучающих диодов СИД1 - 3, СИД2 - 4, СИД3 -5, СИД4 - 6, контролируемого объекта 7, отражающей поверхности 8, приемников оптического излучения ПОИ1 - 9, ПОИ2 - 10, ПОИ3 -11, ПОИ4 - 12, блока обработки фотоэлектрического сигнала - 13 и измерительного прибора 14 или ЭВМ - 15.
Датчик (рис. 3) включает в себя линзу-шар 16, в которой имеется полость, представляющая собой цилиндр, проходящий через ее центр, в котором уставлен посеребренный вал с отражающей поверхностью 8. В процессе контроля возможно перекрывание потока исследуемой жидкости 7, для этой цели используется кран 17. Сам датчик помещается в корпус 18.
Устройство работает следующим образом. При заполнении цилиндрического отверстия линзы-шара 16 (то есть кюветы) контролируемой жидкостью, она облучается несколькими светодиодами с длиной волны 315 -1200 нм, кроме того устройство также можно установить на технологическом потоке, т.е. можно контролировать нефть, протекающую через трубу по стрелке, указанной на рис. 2. При включении задающий генератор 1 вырабатывает прямоугольные импульсы 8 - 10 Гц. Разделенные импульсы через
переключатели оптронов подаются на светоизлучающие диоды 3, 4, 5, 6.
В первом положении переключателя, поток излучения светоизлучающего диода 3 фокусируется и отражается от посеребренной поверхности вала 17 и далее попадает на приемник оптического излучения 8. Затем сигналы поступают в БОФС -12, где реализуется отношение сигналов компенсационного и измерительного потока. Сигнал отношения пропорционален величине коэффициента пропускания, оптической плотности жидких сред и прозрачных твердых тел, а также измеряется концентрация веществ в растворе, после предварительного определения потребителем градуировочной характеристики,
подаются на измерительный прибор, по показанию которого судят об оптических параметрах жидких сред.
Предлагаемое устройство повышает точность измерения за счет двукратного прохождения излучения через исследуемый объект и стационарного расположения кюветы, через которую пропускается жидкость.
Рис. 3. Конструктивное выполнение датчика оптоэлектронного колориметра
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Неразрушающий контроль: справочник: В 7 т. /под общ. ред. В.В.
Клюева. Т. 6: Магнитные методы контроля, Оптический контроль,
Радиоволновый контроль / И.Н. Ермолов. - М.: Машиностроение, 2004.
2. Пат. 2413201 Российская Федерация, МПК51 ООЩ 21/03. Оптоэлектронный фотоколориметр/ Рахимов Б.Н., Ушаков О.К., Кутенкова Е.Ю., Ларина Т.В.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия». - №2009146659/28; заявл. 15.12.2009; опубл. 27.02.11, Бюл. №6. - 4 с.: ил.
© Е.Ю. Кутенкова, 2011
