RU224463U1 - Модульное устройство для определения содержания взвешенных частиц в коллоидных системах - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области анализа золей и суспензий с помощью оптических средств и может быть использована для определения содержания взвешенных частиц в коллоидных системах. Модульное устройство для определения содержания взвешенных частиц в коллоидных системах, содержащее модуль излучателя, модуль фотоприемника, измерительную камеру и контроллер, при этом модуль излучателя закреплен на крышке измерительной камеры, погружен во время работы в измерительный объем и содержит поворотный барабан револьверного типа с несколькими типами излучателей, модуль фотоприемника закреплен на крышке измерительной камеры, причем фотоприемник имеет возможность вращения относительно центральной оси устройства, а также перемещения по прямой перпендикулярно центральной оси устройства, съемная измерительная камера оснащена датчиком температуры и нагревательным элементом.

Description

Полезная модель относится к области анализа золей и суспензий с помощью оптических средств и может быть использована для определения содержания взвешенных частиц в коллоидных системах.

Известен способ определения размерно-количественных характеристик взвешенных в воде частиц и устройство для его осуществления (Патент РФ № 2112955), заключающийся в формировании одного или более реперных объемов оптическим путем за счет передачи в заранее установленном направлении параллельного потока прямоугольного сечения импульсного оптического излучения постоянной интенсивности, перемещении реперного объема в природной среде по траектории, перпендикулярной направлению потока излучения и большей стороне его прямоугольного сечения, и регистрации взвешенных в воде частиц при появлении их в реперном объеме путем приема оптического излучения из реперного объема, преобразования его в электрические сигналы и анализе этих сигналов по амплитуде и длительности, при этом предложено отношение размеров сторон прямоугольного сечения приравнять отношению максимальной и минимальной границ размерного диапазона регистрируемых частиц, а скорость перемещения реперного объема удерживать на уровне, не превышающем отношение длины его меньшей стороны сечения ко времени периода частоты следования импульсов оптического излучения. Кроме того, предложено отфильтровывать принимаемые импульсы оптического излучения из реперного объема от постороннего светового излучения путем вычитания амплитуды сигнала, полученного во время отсутствия импульсов излучения, из амплитуды сигнала, полученного во время действия импульса.

Устройство для реализации способа включает средство для генерации параллельного потока импульсного оптического излучения, средство для формирования оптическим путем реперного объема прямоугольного сечения, средство для перемещения реперного объема, средство для приема и преобразования оптического излучения в электрические сигналы и средство для регистрации изменения амплитуды электрических импульсов, снабжено средством для определения разности между импульсным сигналом в отсутствии частиц и импульсным сигналом, полученным во время регистрации частиц, и средством, формирующим временной интервал на время регистрации частицы, при этом отношение размеров сторон прямоугольного сечения реперного объема выбирают равным отношению максимальной и минимальной границ размерного диапазона регистрируемых частиц. Кроме того, устройство предложено дополнительно снабдить средством для регистрации величины сигнала, характеризующего оптические свойства водной среды перед регистрацией взвешенной частицы, и средством для измерения разницы между величиной, характеризующей оптические свойства водной среды, и амплитудой сигнала для каждого импульса в течение сформированного интервала времени.

Недостатком данного технического решения является сложности с исследованием коллоидных систем с высокой концентрацией рассеивающих частиц, невозможность изменения типа излучателя, длины и траектории пути оптического излучения, а также измерения, изменения и поддержания температуры исследуемого объема в процессе измерения.

Известно устройство для определения размеров наночастиц в турбулентном воздушном потоке в зависимости от влияния изменений их общей концентрации (Патент РФ № 2796124), содержащее лазер с оптическим трактом для транспортировки лазерного излучения, объем с исследуемой средой, линзы, фотодетекторы, расположенные в плоскости рассеяния, согласно которому, введены пара коллиматоров, светоделитель, диафрагма, ирисовые диафрагмы, причем фотодетекторы, расположенные в плоскости рассеяния установлены под углами 20-75° к объему с исследуемой средой, с возможностью определения толщины оболочки и среднего размера наночастиц непосредственно в потоке движущихся частиц, при этом устраняя влияние изменений концентрации наночастиц, а также нестабильность интенсивности излучения их.

Недостатком данного технического решения является использование нескольких фотодетекторов, постепенное неравномерное загрязнение стенок объема с исследуемой средой при непрерывных исследованиях, невозможность изменения типа излучателя, длины и траектории пути оптического излучения, а также измерения, изменения и поддержания температуры исследуемого объема в процессе измерения.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является поточный измеритель концентрации взвешенной фазы в жидкой среде (Патент RU 42320U1), который содержит излучатель, установленный в стенке измерительной камеры, и фотоприемник, возвратно-периодически перемещаемый по окружности с помощью реверсивного двигателя в плоскости луча излучателя. Двигатель снабжен поворотным шифратором. Управление излучателем и двигателем, а также обработка сигналов фотоприемника и шифратора осуществляется специальным контроллером. Сигналы фотоприемника, соответствующие интенсивностям рассеяния излучения при разных углах поворота, используются для вычисления концентрации взвешенных частиц по специальной формуле. Результат не зависит от дисперсности частиц, нестабильности излучателя и степени загрязнения излучателя и фотоприемника.

Недостатком данного технического решения является возможность постепенного износа проводов, передающих данные от фотоприемника из-за перегиба при его возвратно-поступательному перемещении по окружности, невозможность изменения типа излучателя, длины и траектории пути оптического излучения, а также измерения, изменения и поддержания температуры исследуемого объема в процессе измерения.

Задача полезной модели, заключается в том, чтобы преодолеть указанные недостатки и предложить такое модульное устройство, которое с одной стороны позволит исследователям самостоятельно модифицировать его отдельные модули под свои требования, а с другой использовать в процессе одного измерения сразу несколько параметров разделения (расстояние между фотоприемником и излучателем, угол между их осями направленного действия, длина волны излучения, температура исследуемого объема), для расчета содержания взвешенных частиц в коллоидных системах с использованием множества различных логометрических отношений, что позволит исключить влияние посторонних возмущающих факторов и существенно повысить точность измерений.

Это достигается благодаря тому, что в устройстве, содержащем модуль излучателя, модуль фотоприемника, измерительную камеру и контроллер, где в отличие от прототипа модуль излучателя закреплен на крышке измерительной камеры, погружается во время работы в измерительный объем и содержит поворотный барабан револьверного типа с несколькими типами излучателей, модуль фотоприемника закреплен на крышке измерительной камеры, причем фотоприемник имеет возможность вращения относительно центральной оси устройства, а также перемещения по прямой перпендикулярно центральной оси устройства, съемная измерительная камера оснащена датчиком температуры и нагревательным элементом.

На фиг.1 схематично показана одна из возможных реализаций предлагаемого устройства, а на фиг.2 и фиг.3 показаны возможные выходные сигналы с фотоприемника.

Устройство по фиг.1 содержит: измерительную камеру 1 цилиндрической формы, имеющую патрубки 2 и 3 для подачи и отвода контролируемой жидкости; крышку 4, на которую навинчивается измерительная камера 1; модуль излучателя 5, закрепленный на крышке 4, имеющий поворотный барабан револьверного типа 6, излучатели 7; модуль фотоприемника 8, закрепленный на крышке 4, имеющий фотоприемник 9, перемещающее устройство 10 и поворотное устройство 11; датчик температуры 12 и датчик уровня 13, закрепленные на крышке 4; нагревательный элемент 14, встроенный в измерительную камеру; контроллер 15. Излучатели 7, фотоприемник 9, перемещающее устройство 10, поворотное устройство 11, датчик температуры 12, нагревательный элемент 13, датчик уровня 14 электрически связаны с соответствующими входами и выводами контроллера 15 гибкими проводами, проложенными через крышку 4. Модуль излучателя 5 и модуль фотоприемника 8 расположены таким образом по высоте, чтобы излучатель 7 и фотоприемник 9 находились в одной плоскости.

При включении устройства оператор выбирает на контроллере 15 режим работы (стационарный, проточный, зондирующий), а также одну или несколько заранее сохраненных в устройстве программ измерения или программирует свою путем задания параметров измерения в каждый момент времени (задает расстояние между фотоприемником и излучателем, угол между их осями направленного действия, длину волны излучения, температуру исследуемого объема, частоту снятия и записи показаний с фотоприемника, формулу расчета содержания взвешенных частиц).

В стационарном режиме устройство работает следующим образом. Через патрубок 2 в измерительную камеру 1 подается суспензия до достижения датчика уровня 13, после чего от него подается сигнал на контроллер 15 на закрытие патрубка 2 и начало измерения по заданной программе. Только в данном режиме у оператора появляется возможность не только снимать показания температуры суспензии с датчика температуры 12, но и задавать ее в процессе измерения на контролере 15 с использованием нагревательного элемента 14.

В проточном режиме устройство работает следующим образом. Через патрубок 2 в измерительную камеру 1 непрерывно подается суспензия, поднимается вверх и, достигнув уровня выводного патрубка 3, удаляется из камеры 1. Датчик уровня 13 посылает сигнал на контроллер на начало измерения по заданной программе.

В зондовом режиме крышка устройства 4 закрепляется на держателе и опускается в суспензию до срабатывания датчика уровня 13, после чего происходит измерение по заданной программе.

В начале цикла измерения по сигналу контроллера 15 включается барабан 6 и поворачивается на угол, соответствующий выбранному оператором излучателю 7, после чего данный излучатель 7 включается и просвечивает объем суспензии в измерительной камере 1, одновременно контроллер 15 включает элементы модуля фотоприемника 8: фотоприемник 9, перемещающее устройство 10 и поворотное устройство 11.

Поворотное устройство 11 используется для вращения модуля фотоприемника 8 с постоянной угловой скоростью по заданной оператором программе. В этом случае фотоприемник 9 воспринимает излучение, рассеянное взвешенными частицами под разными углами. Сигнал фотоприемника 8 при этом примерно будет выглядеть, как показано на фиг.2. Кривая 1 соответствует большим значениям концентрации, а кривая 2 - малым.

Значения выходного напряжения фотоприемника 9, соответствующие нескольким значениям углов поворота, преобразуются в контроллере в цифровой код и запоминаются. После каждого поворота контроллером 15 реализуется подпрограмма вычисления содержания взвешенных частиц по формуле заданной оператором, например, по следующей:

где - значение сигнала фотоприемника под углом θ;

- значение сигнала фотоприемника под углом 0.

Перемещающее устройство 10 используется для перемещения модуля фотоприемника 8 перпендикулярно центральной оси устройства по заданной оператором программе. В этом случае фотоприемник 9 воспринимает излучение, прошедшее различное расстояние через исследуемую систему. Сигнал фотоприемника 8 при этом примерно будет выглядеть, как показано на фиг.3. Кривая 1 соответствует большим значениям концентрации, а кривая 2 - малым.

Значения выходного напряжения фотоприемника 9, соответствующие различным расстояниям от излучателя до фотоприемника, преобразуются в контроллере в цифровой код и запоминаются. После каждого перемещения фотоприемника контроллером 15 реализуется подпрограмма вычисления содержания взвешенных частиц по формуле заданной оператором, например, по следующей:

где - значение сигнала фотоприемника на расстоянии Х от излучателя;

- значение сигнала фотоприемника, находящегося на минимальном расстоянии от излучателя.

Кроме того, расчет содержания взвешенных частиц возможно проводить с использованием данных, полученных при изменении типа излучателя 7 в ходе измерения, по формуле заданной оператором, например, по следующей:

где - значение сигнала фотоприемника от i-ого излучателя;

- значение сигнала фотоприемника от основного 1-ого излучателя.

Дополнительно, расчет содержания взвешенных частиц возможно проводить с использованием данных, полученных при изменении температуры исследуемой среды в ходе измерения, по формуле заданной оператором, например, по следующей:

где - значение сигнала фотоприемника при температуре среды T;

- значение сигнала фотоприемника при температуре среды 20°C.

Реализация описанного устройства может отличаться в зависимости от требований оператора к процессу измерения содержания взвешенных частиц. В качестве поворотного устройства 11 можно использовать шаговый электродвигатель или сервопривод, подходящие по мощности. В качестве перемещающего устройства 10 целесообразно использовать одноосный линейный модуль. Поворот барабана 6 револьверного типа можно осуществлять с помощью шагового электродвигателя или сервопривода. В качестве излучателей 7 можно использовать твердотельные лазеры с различной длиной волны, галогенные и дейтериевые лампы и другие. Фотоприемником 9 может быть любой фоторезистор подходящей конфигурации. В качестве контроллера 15 лучше всего использовать одноплатные микрокомпьютеры.

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство обладает расширенным функционалом в плане увеличения количества способов и режимов определения содержания взвешенных частиц, возможностью самостоятельной модификации модулей устройства пользователями под свои требования, в результате чего повышается точность измерений.

Claims (1)

1. Модульное устройство для определения содержания взвешенных частиц в коллоидных системах, содержащее модуль излучателя, модуль фотоприемника, измерительную камеру и контроллер, отличающееся тем, что модуль излучателя закреплен на крышке измерительной камеры, погружен во время работы в измерительный объем и содержит поворотный барабан револьверного типа с несколькими типами излучателей, модуль фотоприемника закреплен на крышке измерительной камеры, причем фотоприемник имеет возможность вращения относительно центральной оси устройства, а также перемещения по прямой перпендикулярно центральной оси устройства, съемная измерительная камера оснащена датчиком температуры и нагревательным элементом.