CC BY
28Математическая модель оптоэлектронного преобразователя для мониторинга жидких
сред
Н.Р. Рахимов1, Е.Ю. Кутенкова1, Д.Д. Исломов1, Ш.И. Мадумаров2 1 ФГБОУ ВПО СГГА, 2 ФГБОУ ВПО НГТУ (Россия)
Аннотация. Предлагается
математическая модель оптоэлектронного фотоколориметра для автоматического контроля оптических параметров жидких сред, особенностью которого является двукратное прохождение светового потока через исследуемую полупрозрачную жидкость. Рассмотрена зависимость оптического и электрического сигналов от свойств жидкостей.
Ключевые слова: Светоизлучающий диод, фотоприемник, фотоколориметр, полупрозрачные жидкости, сумматор, блок обработки фотоэлектрического сигнала, измерительный прибор, оптоэлектронная система.
ВВЕДЕНИЕ
Современный уровень развития
промышленности и техники требует высокочувствительных методов мониторинга, позволяющих определять различные характеристики жидкостей, в частности, полупрозрачных. Для достижения этих целей широкое распространение получили оптические методы анализа, основанные на взаимодействии лучистой энергии с анализируемым веществом.
К важнейшим оптическим свойствам полупрозрачных жидкостей относятся оптическая плотность, показатель поглощения, коэффициент отражения от поверхности, показатель преломления, содержание различных компонентов веществ и другие характеристики, которые можно контролировать с помощью оптических методов, в том числе с применением различных рефрактометров и колориметров.
При мониторинге характеристик полупрозрачных жидкостей в различных областях деятельности (в металлургической, химической, пищевой промышленности, в сельском хозяйстве, на предприятиях водоснабжения, в медицине и т.д.) могут решаться следующие задачи, как в комплексе, так и по отдельности:
• оперативная проверка уровня концентрации и загрязнения полупрозрачных жидкостей;
• содержание механических примесей;
• определение соответствия продукта определенным целям использования;
• контроль физико-химического состояния используемого продукта;
• контроль состояния процесса переработки полупрозрачных жидкостей;
• входной контроль поступающих полупрозрачных жидкостей;
• лабораторный контроль качества полупрозрачных жидкостей;
• определение стадии переработки полупрозрачных жидкостей;
• анализ и идентификация различных веществ в промышленности;
• обеспечение обратной связи для контроля и оптимизации производства;
• определение подлинности и состава готовых лекарственных препаратов и сырья;
• контроль качества пищевых продуктов (соков, растительного масла, пива и пр.);
• определение состава крови, мочи, желудочного сока и др. в криминалистическом, судебно-медицинском и биоклиническом анализах [1].
ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ
Для контроля полупрозрачных жидкостей предлагается использовать оптические методы, которые по характеру взаимодействия лучистой энергии и способу ее измерения включают:
1) абсорбционный анализ, т. е. анализ по поглощению света определяемым веществом в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра (спектрофотометрия, фотоколориметрия);
2) анализ по поглощению и рассеянию лучистой энергии взвешенными частицами определяемого вещества (турбидиметрия, нефелометрия);
3) флуорометрический (люминесцентный) анализ, основанный на измерении вторичного излучения, возникающего в результате взаимодействия лучистой энергии с определяемым веществом.
Все эти методы иногда объединяют в одну группу фотометрических методов анализа, хотя они и не имеют общего принципа. Фотоколориметрия и спектрофотометрия
основаны на взаимодействии излучения с однородными системами, тогда как турбидиметрия и нефелометрия - на взаимодействии с дисперсными системами (нефелометрический метод - на измерении рассеянного света, турбидиметрический -проходящего). В последние годы к фотометрическим методам чаще всего относят лишь фотоколориметрию и
спектрофотометрию.
Наибольшее распространение получили абсорбционные (абсорбциометрические)
методы анализа и, в первую очередь, фотоколориметрические. Турбидиметрические и нефелометрические методы используются гораздо реже, обычно лишь в тех случаях, когда для определяемого вещества не удается подобрать хороших фотометрических реагентов. Флуорометрический
(люминесцентный) анализ, обладающий очень высокой чувствительностью (до 1 • 10-8 %), также имеет ограниченное применение вследствие того, что лишь небольшая часть соединений флуоресцирует с достаточной интенсивностью.
Фотометрические (абсорбционные) методы анализа основаны на избирательном поглощении света анализируемым веществом. При взаимодействии со световой энергией в атомах поглощающего вещества происходит переход электронов на более удаленные от ядра орбиты. Электронные переходы, вызванные поглощением строго определенных квантов световой энергии, характеризуются наличием строго определенных полос поглощения в электронных спектрах поглощающих атомов или молекул. Причем поглощение света происходит только в том случае, когда энергия поглощаемого кванта совпадает с разностью энергий ДЕ между квантованными энергетическими уровнями в конечном (Е2) и начальном (Е1) состояниях поглощающего атома:
Ну = ДЕ = Е2 -Е1 (1)
где Н - постоянная Планка (Н=6,625^10-27эрг • сек);
V - частота поглощаемого излучения, которая определяется энергией поглощенного кванта и выражается отношением скорости распространения излучения (скорости световой волны) с (с = 3 • 1010 см/сек) к длине волны 1.
Энергия излучения обычно характеризуется электромагнитным спектром, охватывающим область от километровых радиоволн до десятых долей ангстрема у-излучения и космических лучей. Для характеристики участка спектра часто используют волновое число V, которое, в отличие от длины волны 1, не зависит от рефракции среды. Волновое число V показывает, какое число длин волн приходится на 1 см пути излучения в вакууме.
Природа полос поглощения в ультрафиолетовой (185 - 400 нм) и видимой
(400 - 760 нм ) областях спектра одинакова и связана, главным образом, с числом и расположением электронов в поглощающих молекулах и ионах. В инфракрасной области (0,8 - 1000 мкм) она в большей степени связана с колебаниями атомов в молекулах поглощающего вещества.
В зависимости от используемой аппаратуры в фотометрическом анализе различают спектрофотометрические методы - анализ по поглощению монохроматического света и фотоколориметрические - анализ по поглощению полихроматического
(немонохроматического) света. Оба метода основаны на общем принципе - существовании пропорциональной зависимости между светопоглощением и концентрацией поглощающего вещества.
Фотометрические методы, в которых измеряется светопоглощение окрашенных растворов, иногда называют
«колориметрическими». Однако это название, применяемое к оценке цветности, справедливо лишь для немногих визуальных определений по интенсивности окраски растворов.
Колориметрический анализ используется сравнительно редко, главным образом, в не приспособленных для аналитических определений условиях (например,
геологические экспедиции, полевые работы и т.п.). Точность колориметрического анализа невысокая: ± 10 отн. %.
Фотоколориметрические методы,
использующие сравнительно несложную аппаратуру, обеспечивают хорошую точность (±1-2 отн. %) и широко применяются в концентрационном анализе (определение концентрации растворов).
В спектрофотометрических методах применяют более сложные приборы — спектрофотометры, позволяющие проводить анализ как окрашенных, так и бесцветных соединений по избирательному поглощению монохроматического света в видимой, ультрафиолетовой или инфракрасной областях спектра. В отличие от фотоколориметрических эти методы, кроме концентрации светопоглощающих соединений, позволяют определять их состав, прочность и оптические характеристики. Наиболее совершенные спектрофотометрические методы анализа характеризуются высокой точностью: ±0,1 -0,5 отн. %. Это, прежде всего, относится к дифференциальной спектрофотометрии и спектрофотометрическому титрованию, применяющимся для определения веществ в широком интервале концентраций, особенно при больших содержаниях. При соответствующих условиях эти методы не уступают по точности классическим методам анализа.
Двумя главными направлениями в развитии современных спектрофотометрических методов анализа являются повышение чувствительности
и селективности фотометрических реагентов. В настоящее время высокочувствительные реагенты известны для большинстве элементов и, по-видимому, наиболее важным следует считать разработку селективных методов анализа, как за счет повышения избирательности фотометрических реагентов, так и за счет изменения условий проведения анализа. Для обоих направлений исключительно важное значение приобретает сочетание
фотометрического анализа с экстракцией фотометрируемого соединения органическими растворителями (экстракционно-фотометричес-кий метод).
Высокая специфичность, возможность широкого выбора полос поглощения, сравнительная легкость и высокая точность измерений, достигаемая современной аппаратурой, обеспечивают фотометрическому анализу широкие перспективы для использования в различных областях науки, техники и производства [2].
В данной статье предлагается математическая модель оптоэлектронных фотоколориметров для автоматического контроля оптических параметров жидких сред, конструкция и принцип действия которых подробно рассматривались ранее [1, 3 - 8].
На основе оптоэлектронных первичных преобразователей - оптрона открытого канала можно создать простой концентрометр, структурная схема которого представлена на рис. 1.
Рис. 1. Блок-схема оптоэлектронного преобразователя для мониторинга жидких сред: ЗГ - задающий генератор; ПК - пороговый ключ; КЖС - контролируемая жидкая среда; ОП - отражающая поверхность; СИД -светоизлучающий диод; Яос - переменный резистор с отрицательной обратной связью; ФД - фотодиод; ИП - измерительный прибор; ОУ -операционный усилитель
В начальный момент ключ (ПК) находится в открытом состоянии и СИД, питающийся от задающего генератора (ЗГ), излучает световой поток, который проходит и, отражаясь от ОП, вторично проходит через контролируемую жидкую среду (КЖС) и преобразуется фотодиодом ФД в фототок в виде сигнала, а операционный усилитель ОУ преобразует фототок в напряжение.
Основным законом светопоглощения, который лежит в основе большинства фотометрических методов анализа, является закон Бугера-Ламберта-Бера [9]. Он определяет ослабление пучка света при его прохождении через поглощающее вещество. Если на слой вещества (в нашем случае на контролируемую жидкую среду) толщиной й падает параллельный пучок света с интенсивностью Ф01, то на выходе из слоя интенсивность пучка Ф будет равна
Ф _ Фс1е
- кСс!
(2)
где к - показатель поглощения, зависящий от длины волны (от цвета контролируемой жидкости);
С - концентрация анализируемого вещества.
Ф01 - световой поток до прохождения через слой контролируемой жидкости;
Ф - световой поток после прохождения через слой контролируемой жидкости.
В нашем случае от СИД световой поток Ф01, проходя через КЖС, меняет свою интенсивность за счет светопоглощения и на ОП падает поток Ф1: (3), который, отражаясь и второй раз проходя через КЖС, опять меняет свою интенсивность, при этом на ФД уже попадает световой поток Ф2 (4):
>1 = Фо1е \ _ Фе
- кС - клС^
(3)
(4)
Из формулы (2) следует, что величина светового потока Ф, проходящего через КЖС, при неизменной величине Ф01, к, й целиком определяется концентрацией анализируемого вещества. Преобразуя систему уравнений (3), (4) интенсивность светового потока Ф2 после двукратного прохождения слоя КЖС имеет вид:
Ф2 = (Ф01е "к1Сй )е "к С (5) Преобразуя зависимость 4, получаем:
Ф _ Ф е ~Cd(к1 + к2 ) Ф2 Ф01е
(6)
Так как к1 ~ к2, то в^тражение 6 примет вид:
Ф2 _ Ф01е "2к1С
(7)
Если преобразовать Фм Ф2 с помощью оптрона открытого канала (рис. 1) в соответствующие электрические сигналы Y01 и Y2, то по их величине можно определить такие характеристики вещества, как оптическая плотность D, светопоглощение АХ, светопропускание ТХ в зависимости от концентрации С, при условии, что d - const и t -const (t - температура КЖС), так как коэффициент поглощения зависит от температуры.
Для оптоэлектронного преобразования на линейном участке световая характеристика им вид
B = КфК yY,
(8)
где Кф и Ку соответствующие коэффициенты пропорциональности для светового потока и электрического сигнала.
Учитывая формулу (7), можно записать:
в=Фг
Ф
2
Y
= lg Y0L
Y
2
Ф Y
А, = -0L-100 % -100 %
1 -2 Y2
(9)
Т = -01 Т 3 — '
Ф,
-2 Y01 - Y2
-100 % = -2--100 %
2 -1 2 Когда выходное напряжение усилителя превышает установленный пороговый уровень, ПК закрывается и излучение СИД прекращается (рис. 1). При этом напряжение на входе ОУ не исчезает мгновенно, а спадает по экспоненциальному закону с постоянной времени т эквивалентной входной емкости и сопротивлению усилителя до определенного значения, при котором сигнал на входе ОУ уменьшается до
U 2 = U 1exp (-1/t),
(10)
где U1 - напряжение срабатывания ключа; t - время, в течение которого включен СИД; т - постоянная времени. Учитывая, что U1 - const, выражения (2) и (10) можно преобразовать
U2 = Uxexp(t/1 - kcd). (11)
Фиксируя момент времени, за которое сигнал ФД достигает установленного значения (порога), получаем
и 2 V ср) = и ер (х Ср/ т - ш). (12)
c = afcp - b
= 1 А- x
где а = -—; b = —-kt u1k
(13)
x - const ,
хср - время от начала экспонента до момента пересечения с «порогом».
Таким образом, связь между концентрацией объекта и временем хср оказывается линейной. Пороговый режим ФД полностью устраняет нелинейности световой характеристики. Здесь можно применить изменение потока по спадающей экспоненте. В этом случае
c = b - at„
ср ■
(14)
Следует отметить, что в данном варианте необходимо задать длительность
экспоненциального импульса, исходя из условий касания экспоненты с установленным порогом при с = 0.
Рис. 2. Блок-схема оптоэлектронного фотоколориметра: ЗГ - задающий генератор; Т - триггер; КЛ - ключ; КЖС - контролируемая жидкая среда; ОП - отражающая поверхность; СИД1 - опорный светоизлучающий диод; СИД2- измерительный светоизлучающий диод; ФД - фотодиод; ПУ - пороговое устройство; БОФС - блок обработки фотоэлектрического сигнала; КОМ - коммутатор; ИП -измерительный прибор.
Параметры экспоненциальной развертки рассчитываются следующим образом. Задается порог срабатывания ФД - ипор. Минимальная величина ипор определяется из выбранного соотношения (сигнал - шум), затем выбирается длительность цикла измерения Тизм, исходя из скорости V перемещения КЖС относительно датчика и величины ё просвечиваемого участка. Таким путем определяются зависимости в случае, когда устройство устанавливается на линии технологического процесса, т.е. можно контролировать жидкости, протекающие через трубу, при стационарном расположении оптоэлектронного фотоколориметра [1, 3 - 8].
Блок-схема усовершенствованного
фотоколориметра для контроля оптических параметров жидких сред представлена на рис. 2. Подробное описание его структуры и конструкции дано в работах [1, 3 - 8].
Устройство работает следующим образом. Задающий генератор (ЗГ) вырабатывает прямоугольные импульсы (форма импульсов приведена на рис. 3-1), которые подаются на триггер Т, разделенные им сигналы поступают на СИД!, СИДд (опорный и измерительный светоизлучающие диоды соответственно). Опорный СИД1 предусмотрен для того, чтобы сравнивать измерительный сигнал с сигналом опорного канала и обеспечивать достоверность результатов измерения. Потоки Ф01 (излучения СИД1) и Ф02 (излучения СИД2), провзаимо-
действовав с КЖС и отражаясь от ОП, попадают на светочувствительную поверхность ФД, на выходе которого появляются сигналы (рис. 3-2). К выходу ФД подключен ключ (КЛ), который открывается в момент начала спада фотопроводимости (рис. 3-3). Выделенный сигнал подается на вход ПУ. На выходе ПУ формируются импульсы прямоугольной формы (рис. 3-4). Эти импульсы сравниваются с импульсами ЗГ с помощью коммутатора КОМ и разделяются на последовательность импульсов от потоков на измерительной длине волны и опорной длине волны. Разделенные импульсы подаются на вход измерителя разности и временных интервалов (БОФС), далее попадают на в ИП, по показаниям которого судят о концентрации жидких сред.
Г
\ с;
ч
—
и h
Рис. 3 Формы выходных сигналов ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Работа выполнена по заданию Министерства образования и науки по проекту «Исследование предельных точностей оптических методов измерения параметров движения и мехатронных методов управления движением и разработка новых робототехнических и электромеханических систем», Темплан, проект № 7.559.2011.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Кутенкова, Е.Ю. Оптоэлектронный многопараметровый автоматический колориметр / Е.Ю. Кутенкова // Датчики и системы. - 2012.-№ 4 (155). - С. 37-39.
[2] Булатов, М.И. Практическое руководство по фотоколометрическим и спектрофотометрическим методам анализа / М.И. Булатов, И.П. Калинкин. - 3-е изд., переработ. и доп. - Л.О.: Химия, 1972. - 408 с.
[3] Пат. 2413201 Российская Федерация, МПК51 С0Ш 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.
[4] Рахимов, Б.Н. Оптоэлектронный автоматический колориметр/Б.Н. Рахимов, О.К. Ушаков, Е.Ю. Кутенкова, Т.В. Ларина // Приборы и техника эксперимента, 2011. - № 5. - С. 161 - 162.
[5] Исследование оптоэлектронного метода и разработка устройств для мониторинга жидких сред / Е.Ю. Кутенкова, Б.Н. Рахимов, Т.В. Ларина и др. // Автоматика и программная инженерия. -2012 -№1(1). - С. 35 - 42.
[6] Rakhimov, B. N. Aspects of Improvement of Automatic Optoelectronics Colorimeter Receiver of Optical Radiation (ROR) / B. N. Rakhimov, E. U. Kutenkova, P. V. Petrov // Proceedings of the RFBR and DST Sponsored "The Second Russian-Indian Joint Workshop on Computational Intelligence and Modern Heuristics in Automation and Robotics" 10 - 13 September, 2011. Additional Volume sponsored by NSTU, Department of Automation, p. 32 - 33.
[7] Заявка № 2011153209 Российская федерация. Оптоэлектронный многопараметровый колориметр / Б.Н. Рахимов и др.; Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия».
[8] Кутенкова, Е.Ю. Разработка оптоэлектронного фотоколориметра для автоматического анализа жидких сред/ Е.Ю. Кутенкова// ГЕ0-Сибирь-2011. Т.5. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии. Ч.1: сб. матер. VII Междунар. научн. конгр. «ГЕ0-Сибирь-2011», 19-29 апреля 2011 г., Новосибирск.- Новосибирск: СГГА, 2011. - С. 191195.
[8] Ушаков, О.К. Автоматический колориметр на основе оптоэлектронных преобразователей/ О.К. Ушаков, Е.Ю. Кутенкова, А.Н. Серьезнов / Интерэкспо ГЕО - Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр., 10 - 20 апреля 2012 г. Новосибирск : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии»: сб. материалов в 2 т. Т.1. - Новосибирск : СГГА, 2012. - С. 146 - 151.
[9] Фотоника: словарь терминов / Т.Е. Ковальская, В.Н. Овсюк, В.М. Белоконев, Е.В. Дегтярев; Под ред. В.Н. Овсюка. - Новосибирск: Издательство СО РАН, 2004. - 342 с.
Неъматжон Рахимович Рахимов - д.т.н., профессор кафедры Специальных устройств и технологий.
Е-mail: nerah@rambler. ru
Елена Юрьевна Кутенкова - доцент кафедры ТОП ФГБОУ ВПО "СГГА".
E-mail: kutenkova.elena@yandex.ru
Дониербек Давронбекович Исломов -магистрант кафедры Наносистем и Оптотехники.
Шерзод Ильхомович Мадумаров - аспирант НГТУ кафедры Автоматики.
E-mail: fergana 10@mail.ru
