RU215745U1 - Устройство для контроля степени чистоты воды - Google Patents
Устройство для контроля степени чистоты воды Download PDFInfo
- Publication number
- RU215745U1 RU215745U1 RU2022118481U RU2022118481U RU215745U1 RU 215745 U1 RU215745 U1 RU 215745U1 RU 2022118481 U RU2022118481 U RU 2022118481U RU 2022118481 U RU2022118481 U RU 2022118481U RU 215745 U1 RU215745 U1 RU 215745U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- water
- purity
- degree
- laser
- hydrophone
- Prior art date
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 55
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 7
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 13
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 10
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 6
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 6
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 5
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000003287 optical Effects 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 1
- 210000003666 Nerve Fibers, Myelinated Anatomy 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000004164 analytical calibration Methods 0.000 description 1
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 description 1
- 210000004027 cells Anatomy 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 239000008214 highly purified water Substances 0.000 description 1
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 238000010587 phase diagram Methods 0.000 description 1
- 229910052904 quartz Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004856 soil analysis Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000001220 thermal lens spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000005429 turbidity Methods 0.000 description 1
- 238000003911 water pollution Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Полезная модель относится к экологии, биотехнологии и измерительной технике, в частности к устройствам для исследования качества воды, и может применяться для контроля степени чистоты воды. В устройстве для контроля степени чистоты воды, содержащем лазер и кювету с контролируемой водой, лазер через оптическое волокно подключен к полости кюветы, в которой размещен гидрофон, соединенный через широкополосный усилитель с индикатором степени чистоты воды. Концевая часть оптического волокна и гидрофон конструктивно объединены, образуя датчик устройства. 2 ил.
Description
Полезная модель относится к экологии, биотехнологии и измерительной технике, в частности к устройствам для исследования качества воды, и может применяться для контроля степени чистоты воды.
Вода является одним из наиболее распространенных реагентов, используемых в современных технологических, биотехнологических и лабораторных процессах, при этом во многих случаях требуется особо очищенная вода. Поэтому в настоящее время существует потребность в осуществлении контроля качества воды и степени ее чистоты.
Известны сенсоры для обнаружения различных загрязнений в воде, которые основаны на измерении электрического сигнала при их погружении в пробу воды (Rhoades, J.D. (1996). Salinity: Electrical conductivity and total dissolved solids. Methods of soil analysis: Part 3 chemical methods, 5, 417-435). Недостатком таких сенсоров является низкая чувствительность при малой концентрации примесей, а также то, что они чувствительно только к примеси, меняющей при растворении электропроводность воды.
Известно устройство для оценки чистоты воды (CN 202735253 «Laser source water quality monitoring system based on Internet of things», МПК G01N 21/49, опубл. 2013-02-13), которое контролирует мутность воды по уровню рассеяния оптического сигнала. Недостатком известного устройства является низкая чувствительность при малой концентрации примесей, когда уровень рассеянного сигнала незначителен.
Этих недостатков лишено устройство (Lacapmesure, А.М., Martínez, О.Е., & Kunik, D. (2020). Device for real-time monitoring of oil-in-water and suspended solids based on thermal lens spectrometry and light scattering. Applied Optics, 59(13), D138-D147), выбранное в качестве прототипа.
Устройство состоит из основного лазера, лазера пробного луча, оптической системы, прозрачной кюветы с измеряемой жидкостью и фотодетектора. В качестве основного лазера использовался Nd:YAG лазер с длиной волны 532 нм, мощностью 100 мВт. В качестве лазера пробного луча использовался лазер с длиной волны 780 нм, мощностью 500 мкВт и гауссовым распределением интенсивности в пучке. Известное устройство позволяет измерять наличие примесей в воде с концентрацией от 100 ppm.
Принцип работы известного устройства состоит в следующем. С помощью оптической системы лучи основного лазера и лазера пробного луча соосно направляются на стенку прозрачной кюветы с пробой воды, а прошедшие кювету пробные лучи поступают на фотодетектор. В зависимости от степени чистоты жидкости, находящейся в прозрачной кювете, в ней в результате поглощения излучения основного лазера создается тепловая линза, изменяющая показатель преломления воды. Пробные лучи, проходя через эту тепловую линзу, расфокусируются из-за появления уменьшенного по сравнению с окружающей жидкостью показателя преломления. В результате этой расфокусировки напряжение на выходе фотодетектора уменьшается. По степени уменьшения сигнала с фотодетектора судят о степени чистоты жидкости в ячейке.
Основными недостатками известного устройства являются его сложность и необходимость использования прозрачной кюветы, что не позволяет проводить измерение чистоты воды путем погружения датчика в пробу воды, что удобно и часто необходимо для практических целей.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание конструктивно простого устройства для оценки чистоты воды с высокой чувствительностью, позволяющего проводить оперативное измерение чистоты воды путем погружения датчика в пробу воды.
Техническим результатом является создание простого и надежного устройства для контроля степени чистоты воды.
Поставленная техническая задача достигается в результате того, что в устройстве контроля степени чистоты воды, содержащем лазер и кювету с контролируемой водой, лазер через оптическое волокно подключен к полости кюветы, в которой размещен гидрофон, соединенный через широкополосный усилитель с индикатором степени чистоты воды. Концевая часть оптического волокна и гидрофон конструктивно объединены, образуя датчик устройства.
Существо полезной модели поясняется на фигурах.
Фиг. 1 - схема устройства.
Фиг. 2 - графики акустического сигнала, зарегистрированного в течение 5 с при использовании дистиллированной воды высокой очистки с концентрацией примеси С0=0 - график «а», C1=50 ppm (50 мг NaCl на литр) - график «б» и С2=100 ppm (100 мг NaCl на литр) - график «в».
Устройство содержит лазер 1, оптическое волокно 2, гидрофон 3, широкополосный усилитель 4, индикатор 5. Концевая часть оптического волокна и гидрофон 6 конструктивно объединены, образуя датчик, который погружают в контролируемую воду 6, налитую в кювету 7.
Устройство работает следующим образом. Излучение непрерывного лазера 1 с помощью волокна 2 заводится в пробу воды 6, находящуюся в кювете 7. В результате поглощения лазерной энергии небольшой объем воды вблизи торца нагревается до температуры Т, превышающей температуру кипения. При достижении определенного значения температуры в указанном объеме происходит взрывное кипение воды (Юсупов В.И. Образование сверхкритической воды под воздействием лазерного излучения // СКФ-ТП. 2019. Т. 14. №1. С. 71-83). В результате этого образуется расширяющийся пузырек, который, после достижения своего максимального размера, схлопывается. Эти процессы, как хорошо известно, сопровождаются генерацией широкополосного звука (Юсупов В.И., Коновалов А.Н., Ульянов В.А., Баграташвили В.Н. «Генерация акустических волн непрерывным волоконным лазерным излучением в воде // Акустический журнал. 2016. Т. 62. №5. С. 531-539).
Акустический сигнал регистрируется гидрофоном 3 и, после усиления широкополосным усилителем 4 поступает на детектор с индикатором 5. Индикатор показывает уровень акустического сигнала, который пропорционален чистоте воды.
Таким образом, создание устройства для оценки чистоты воды с высокой чувствительностью, позволяющего проводить оперативное измерение чистоты воды путем погружения датчика в пробу воды, осуществляется за счет того, что в устройстве для контроля степни чистоты воды используется не уровень интенсивности прошедшего через пробу воды пробного излучения, как в аналоге, а уровень возникающего акустического сигнала.
В отличие от прототипа предлагаемое устройство основано не на эффекте расфокусировки пробного луча тепловой линзой, а на использовании преобразования оптического излучения в акустическое, что не требует проведения измерений на просвет и позволяет обойтись без прозрачной кюветы.
Конкретное оформление заявляемого устройства, а именно лазер, волокно, гидрофон, широкополосный усилитель, детектор с индикатором и кювета могут быть стандартными. В качестве детектора может быть использован детектор с открытым входом на базе однополупериодного выпрямителя. Для эффективной работы устройства необходимо, чтобы длина волны лазерного излучения хорошо поглощалась в воде. Мощность лазерного излучения, диаметр волокна, частотный диапазон регистрируемых акустических сигналов и постоянная времени детектора зависят от поставленной задачи.
Автором был изготовлен образец устройства для контроля степени чистоты воды. Использовался непрерывный лазер (ИРЭ-Полюс, РФ) с длиной волны λ=1.56 мкм мощностью 1.5 Вт, состыкованный с кварцевым волокном с диаметром светопроводящей жилы 400 мкм. В качестве гидрофона использовался широкополосный гидрофон 8103 (Брюль и Къер, Дания). Постоянная времени детектора составляла 30 с.
При рассмотрении графиков на фиг. 2 видно, что в случае использования самой чистой воды (С0=0) регистрируется сигнал с максимальной амплитудой V0. По мере увеличения уровня загрязнения амплитуда этого максимального сигнала монотонно уменьшается до V1 (при концентрации С1) и далее до V2 (при концентрации С2). Поскольку уровень сигнала на выходе детектора определяется уровнем максимального сигнала за промежуток времени, равный постоянной времени детектора, индикатор устройства покажет значения V0, V1 и V2 для концентраций примеси С0=0, C1=50 ppm и С2=100 ppm соответственно.
Продемонстрированный экспериментально (фиг. 2) эффект уменьшения амплитуды зарегистрированного акустического сигнала с увеличением уровня загрязнения воды можно легко объяснить, исходя из физики процесса. При нагреве воды лазерным излучением нагреваемый объем на фазовой диаграмме воды переходит в так называемую метастабильную область (Skripov, V.P.; Sinitsyn, E.N.; Pavlov, P.A.; Ermakov, G.V., Muratov, G.N.; Bulanov, N.V.; Baidakov, V.G. Thermophysical properties of liquids in the metastable (superheated) state; Gordon and Breach Science Publishers: New York, 1988), в которой температура T больше температуры кипения Т0 при данном давлении. При достижении некоторой критической температуры Ткр из-за возникших флуктуаций происходит взрывное кипение. При этом часть объема перегретой воды переходит в сжатый до высоких давлений пар с образованием быстро расширяющегося парогазового пузырька. Достигнув своего максимального размера этот пузырек схлопывается. Энергия возникающего при этом звука зависит от величины запасенной энергии. Чем вода чище, тем величина перегрева Ткр-Т0 и величина запасенной энергии больше. Соответственно, будет больше и амплитуда генерируемого акустического сигнала. При увеличении концентрации примеси взрывное кипение будет происходить при все более низких значениях перегрева. В результате будет образовываться пузырьки меньшего размера, и амплитуды акустических сигналов будут последовательно уменьшаться.
Для практического использования предлагаемое устройство должно быть предварительно откалибровано путем построения зависимости амплитуды акустических сигналов на выходе детектора с индикатором от концентрации исследуемой примеси. Во время контроля или измерений по экспериментально определенным значениям амплитуд акустического сигнала и калибровочной кривой определяется искомая концентрация примеси. В предложенном устройстве часть волокна и гидрофон могут быть вмонтированы в единый корпус датчика.
Автором были проведены подобные испытания устройства с использованием лазеров с другими длинами волн, также хорошо поглощающихся в воде: 1.47 и 1.94 мкм, которые также показали высокую чувствительность к примесям.
Созданное устройство для контроля степени чистоты воды обладает хорошей чувствительностью, позволяет проводить оперативное измерение чистоты воды путем погружения торца волокна и гидрофона (датчика) в пробу воды и может быть промышленно применено.
Claims (1)
- Устройство для контроля степени чистоты воды, содержащее лазер и кювету с контролируемой водой, отличающееся тем, что лазер через оптическое волокно подключен к полости кюветы, в которой размещен гидрофон, соединенный через широкополосный усилитель с индикатором степени чистоты воды, при этом концевая часть оптического волокна и гидрофон конструктивно объединены, образуя датчик устройства.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU215745U1 true RU215745U1 (ru) | 2022-12-23 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN202735253U (zh) * | 2012-07-13 | 2013-02-13 | 上海海争电子科技有限公司 | 基于物联网的激光光源水质监测系统 |
| CN103323400A (zh) * | 2013-06-06 | 2013-09-25 | 上海物联网有限公司 | 一种多参数集成的水质在线监测传感系统 |
| CN104596990B (zh) * | 2015-01-23 | 2018-04-03 | 中国农业大学 | 双通道光纤浊度测量方法及传感器 |
| US10048242B2 (en) * | 2015-06-07 | 2018-08-14 | Shenzhen Yimu Technology Co., Ltd. | Inline water contaminant detector |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN202735253U (zh) * | 2012-07-13 | 2013-02-13 | 上海海争电子科技有限公司 | 基于物联网的激光光源水质监测系统 |
| CN103323400A (zh) * | 2013-06-06 | 2013-09-25 | 上海物联网有限公司 | 一种多参数集成的水质在线监测传感系统 |
| CN104596990B (zh) * | 2015-01-23 | 2018-04-03 | 中国农业大学 | 双通道光纤浊度测量方法及传感器 |
| US10048242B2 (en) * | 2015-06-07 | 2018-08-14 | Shenzhen Yimu Technology Co., Ltd. | Inline water contaminant detector |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Melendez et al. | Development of a surface plasmon resonance sensor for commercial applications | |
| CN112924386B (zh) | 一种流体浓度检测方法及系统 | |
| CN102680412A (zh) | 利用光声光谱法检测微量水蒸气浓度的方法 | |
| US4213699A (en) | Method of measuring low concentrations of a light absorbing component | |
| RU215745U1 (ru) | Устройство для контроля степени чистоты воды | |
| AU590223B2 (en) | Concentration meter | |
| RU2790540C1 (ru) | Оптоволоконное устройство для оценки чистоты воды | |
| Liyun et al. | Optical fiber sensor determination of the water salinity based on surface plasmon resonance | |
| Liu et al. | Enhanced Raman detection system based on a hollow-core fiber probe design | |
| CN202562842U (zh) | 利用光声光谱法检测微量水蒸气浓度的装置 | |
| CN104655525A (zh) | 一种液体比重仪 | |
| Maher et al. | A fiber optic chemical sensor for measurement of groundwater pH | |
| RU132548U1 (ru) | Фотометр пламенный | |
| CN204405482U (zh) | 一种液体比重仪 | |
| Schmid et al. | On-line monitoring of opaque liquids by photoacoustic spectroscopy | |
| Egorov et al. | Integrated-optical lowloss PbO2 diffusion waveguide sensitive chemical sensor | |
| Alvarado et al. | Improvement of an optical fiber sensor for the detection of low concentrations of solutes using the photothermal effect | |
| Bidin et al. | Determination of hydrocarbon level in distilled water via fiber optic displacement sensor | |
| Budiyanto et al. | Efficiency of Optical Sensors with Quasi Gaussian Beam for Determining Cholesterol Concentration | |
| Schlageter et al. | Development of an optoacoustic sensor module for pH and/or CO2 determination in aqueous solutions | |
| Pujiyanto et al. | The detection of cadmium ion level in distilled water using 532 nm laser light based on the optical fiber spectrometry | |
| RU72071U1 (ru) | Инфракрасный влагомер изоляционного масла | |
| CN108120697B (zh) | 基于纳米线表面等离激元的折射率测量方法及传感器系统 | |
| CN109238964A (zh) | 一种传感装置 | |
| Yasin et al. | Acquisition of electrical signals using commercial electronic components for detection system of Lead ion in distilled water |