CC BY
9
УДК 620.179
Ю.И. Стеблев
Самарский технический университет
МОНИТОРИНГОВЫЙ КОМПЬЮТЕРНЫЙ КОНТРОЛЬ
сточных вод
Разработаны основные элементы экспериментальной установки для компьютерного мониторинга сточных вед по степени интегральной загрязненности. Показано, что применение электроемкостной компьютерной томографии позволяет производить локальное электрическое зондирование поперечного сечения потока, реализовать раздельную оценку органической и минеральной загрязненности сточных вод и тем самым локализовать источник загрязнения.
The main components of the experimental plant for computer monitoring of sewage according to the level of integral pollution have been developed. If has been shown that the use of eiectrocapacitant computer-aided tomography allows carrying out local electric sounding flow cross-section, separate estimation of organic and mineral pollution of sewage, and thus, it will make it possible to localize the pollution source.
Основной источник загрязнения водоемов - промышленно-бытовые сточные воды. Загрязнения сточных вод подразделяются на минеральные (растворы солей, щелочей, металлы и т.п.) и органические (масла, нефтепродукты, фенолы и др). Загрязнения большей частью содержат около 40 % минеральных веществ и 60 % органических.
К сожалению, в настоящее время не представляется возможным реализовать непрерывный оперативный контроль (мониторинг) сточных вод по химическому составу загрязнений с выдачей значений их концентраций по каждому компоненту. Однако применение современных компьютерно-диагностических технологий позволяет создавать средства контроля сточных вод по степени интегральной загрязненности, произвести оценку минеральной и органической загрязненности в отдельности и тем самым локализовать источник загрязнения.
Реализация этих задач возможна на основе непрерывного контроля потока сточных вод в трубопроводе путем применения методов электроемкостной компьютерной томографии (ЭКТ), позволяющей диагностировать не только весь поток в целом, но и отдельные локальные области поперечного сечения этого потока и создать таким образом развитую систему обработки оперативной информации в реальном масштабе
времени. Контроль ведется по величине комплексной диэлектрической проницаемости среды на сетке частот, так как удельная электрическая проводимость а жидкости и относительная диэлектрическая проницаемость е растворов зависят от частоты. Это дает возможность вести контроль сточных вод по комплексу электрофизических параметров £,ь соответствующих различным областям поперечного сечения потока.
Электромагнитное зондирование потока производится с помощью многоэлектродного электроемкостного преобразователя (МЭП), измерительные электроды которого размещены по периферии и не создают гидравлического сопротивления потоку. Одним из возможных подходом к решению задачи ЭКТ является локализация зондирующего электрического поля, созданного системой электродов МЭП в определенной области зоны контроля, и сканирование области с повышенной концентрацией электрической энергии по сечению потока. Для реализации сформулированного подхода разработана математическая модель МЭП и методика синтеза требуемого распределения электрического поля в зоне контроля. Разработанные математические модели анализа и синтеза МЭП позволили исследовать возможности локального электрического зондирования поперечного сечения потока. Для
106__________
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.154
а
б
IBM
Ы1
БИЗ
4г
Экспериментальная установка для моделирования многофазного потока: а — гидродинамическая часть;
б - электронная часть
I - емкость для заливки смеси; 2 - блок МЭП со специальным экраном, моделирующим трубопровод; 3 - микродвигатель типа Д12-ТФ: 4 - втулка на валу двигателя; 5 - четырехлопастный винт 6 - эпоксидная смола; 7 - пробка-пенопласт; 8 - трубка для слива смеси; 9 - стойка для крепления макета; 10 - несущая часть винта; 12 - блок питания двигателя,
13 - электронная измерительная часть установки
периментальных исследований возмож-тей контроля минеральных и органиче-х загрязнений сточных вод разработана ановка, содержащая гидродинамическую ть и компьютерную систему обработки юрмации (см. рисунок).
Гидродинамическая часть установки воляет моделировать турбулентный ре-л течения сточных вод. Этот режим ими-овался путем перемешивания смеси с ющью электродвигателя, причем равно->ность распределения фаз смеси по рабо-[у объему МЭП контролировалась как уально, так и с помощью специальных ктродов датчика.
Электронная часть установки содержит юрительно-управляющий блок, вклю-эщий электронные коммутаторы БК1 и 2, генератор импульсов ГИ, схему вы-жи-хранения СВХ, аналого-цифровой образователь АЦП, микропроцессор -юкристальную микроЭВМ (ОЭВМ), по-янное запоминающее устройство ПЗУ, му гальванической развязки СГР, блок :розащиты БИЗ, блок питания БП.
граммой визуализации полученной инф мации и формирования изображения м гофазного потока.
Наличие органических загрязне» сточных вод моделировалось с помои керосина и нефти, а минеральных - с мощью растворенной в воде поварен! соли (NaCl). В присутствии указав примесей диэлектрическая проницаемо контрольных смесей изменялась почт! 40 раз, диапазон изменения удельной эл трической проводимости задавался кони трацией NaCl в воде. Так, при измене1 концентрации NaCl в воде в диапазоне с до 20 %, электропроводность раствора менялась в диапазоне от 6,7 до 19,6 С\ Объем контрольного образца чистой вс составлял 100 мл, объемная доля органи ского загрязнителя (керосин) менялась с до 31,25 мл, масса минеральной прим 12,5 мг. Эксперименты показали возм* ность раздельной регистрации органн ской и минеральной загрязненности ст ных вод. Результаты измерений выходн сигнала одного из элементов МЭП с
- 107
Санкт-Петербург. 2003
а, % 15,8 20 23,81
С,2, пФ 4,7/4,5 4,4/4,3 4,0/3,9
в]2, нСм 0,4/5,1 0,2/2,3 0,1/1,5
Примечание, а - объемное содержание керосина в воде; С,2 и С^- емкость и проводимость мевду электродами 1 к 2 МЭП
Таким образом, измерение комплексных электрофизических параметров сточных вод на заданной сетке частот позволяет идентифицировать как минеральные, так и органические загрязнения. При этом измеряется удельная электрическая проводимость и относительная диэлектрическая проницаемость среды на каждой из заданного множества частот, а также отклонения этих параметров от нормы - чистой воды. Так, удельная электрическая проводимость чистой воды озера Байкал составляет
0,01 См/м, а проводимость сточных вод целлюлозно-бумажного комбината 0,1 См/м.
Выводы
1. Разработана конструктивная схема и макетный образец МЭП для оценки интегральной загрязненности сточных вод.
2. Создана экспериментальная компьютерная установка для мониторинга сточных вод по комплексу электрофизических параметров.
3. Показано, что применение элементов ЭКТ для мониторинга сточных вод позволяет визуализировать локальные области поперечного сечения потока, производить раздельную оценку органической и минеральной загрязненности.
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.154
