SU1436893A3 - Устройство дл измерени концентрации нефти в воде - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к оптиче с- кнм методам измерени  и может быть использовано дл  измерени  концентрации нефти в воде. Цель изобретени  - повьшение точности измерений. Схема автоматического управлени  усилением содержит две входные схемы 17 и 18, кажда  из которых состоит из цифре

Description

10Э

У

ы

Фаг.

143

аналогового преобразовател  (ДАЛ) и восьмиразр дного счетчика. Каждый ЦА11 св зан с триггером 21, Входы установки и сброса триггера св заны со схемой 20 задержки и компаратором 24, Настройка схемы задержки осуществл етс  путем замыкани  переключател  19 калибровки при необходимости калибровки схем. Один выход схемы задержки приводит в действие струйный клапан дл  подачи в  чейку чистой воды . По истечении заданного периода времени схема задержки отсекает поток чистой воды и вьщает импульс сброса счетчиков дл  установки триггерао

При этом отпираетс  схема И, позвол   поступающим от мультивибратора с двум  квазиустойчивыми состо ни ми импульсам синхронизировать счетчики. Выходной сигнал ЦА11 схемы может расти до уровн  0,2 В, после чего компаратор измен ет состо ние и перебрасывает триггер дл  прерывани  поступлени  импульсов в счетчики. Таким образом , на логарифмическом усилителе 25 посто нное напр жение нуль нефти. После этого регулируетс  усиление канала рассе нного света вместе с усилением канала нерассе нного света, 5 ил.

1

Изобретение относитс  к области оптических методов измерени  и может быть использовано дл  измерени  концентрации масла в воде с использова- кием рассе нного излучени .

Цель изобретени  - повьшение точности измерений,

На фиг,1 схематически показана в разобранном виде камера рассе нного излучени , используема  в устройстве дл  обнаружени  и измерени  концентрций масла; на фиг,2 - траектории изл чени , проход щего через камеру; на фиг,3 - частотна  характеристика де- TeKTOpaj на фиг,4 - усилитель и компановка схем регулировани  усилени  детекторного устройства; на фиг,5 - блок-схема цепи, изображенной на фиг,4,

Устройство монтируетс  вокруг камеры рассе нного излучени , содержащей центральный кольцевой корпус 1, к которому через прокладки 2 креп тс  патрубки 3, имеющие вид усеченного конуса. Световой луч, например, из лазера на арсениде гапи  (не показан) направл ют через первое оптическое волокно 4 во входное отверстие 5 камеры и через выходные отверсти  6 и 7 к волокнам 8 и 9, которые в свою очередь соединены с фотодетекторами . Изогнута  во внутрь камеры пластина 10 коллимирует световой

Q 5 0

5

0

5

луч на входе в камеру с тем, чтобы уменьшить число ложных отражений.

Световой луч (фиг,2), выход щий из отверсти  5 и вход щий во входное отверстие 6, детектируетс  как пр мой сигнал и к выходному отверстию 7 направл етс  под углом oi к траектории светового луча.

Схематически изображенные на фиг,3 кривые показывают типичные характеристики дл  детекторов,соединенных с отверсти ми 6 и 7 соответственно . При наличии в воде капелек масла интенсивность пр мого луча 1I в логарифмическом масштабе снижаетс , Рассе нное излучение I2 сначала усиливаетс  и при более высоких уровн х концентрации масла оно достигает максимума , а затем ослабевает,

В предлагаемом устройстве этот максимум достигаетс  при детектировании уровн  концентрации, определ емого 300-400 ч. масла на 1 млн. i I - .

Выходное рассе нно.е излучение меньше.подвержено вли нию давлени  твердых загр зн ющих веществ например ржавчикы или песка, чем пр мое выходное излучение. Если, например, через систему пропустить 1000 ч. ржавчины на 1 млн, с размером частицы в 4 мкм, то пр мой луч зарегистрирует величину, соответствующую 300 ч, на 1 млн. в выходное рассе нное излучение зарегистрирует только 159 ч, на

1 млн. Таким образом, использованием выходного рассе нного излучени  дл  определени  низких уровней концентра- щи масла и сведением тем самым к минимуму вли ни  песка и ржавчины достигают значительного преимущества

Чтобы охватить диапазон уровней концентрации масла, составл ющий 1000 ч, на 1 млн., необходимо создать такую схему, чтобы режим детектировани  можно было переключать с детектировани  посредством пр мого излучени  на детектирование посредством рассе нного излучени . Таким образом, используют линейное усиление выходного излучени , но когда поглощение света капельками масла оказываетс  интенсивнее действи  рассе нного излучени  и выходное излучение достига- ет своего максимума, тогда осуществл ют переключение на детектирование посредством пр мого излучени . Затухающий пр мой луч линеаризуют, использу  логарифмический усилитель.

Обычно при способах, предусматривающих контактирование оптических окон с содержащей масло водой, особенность измерений состоит в том, что окна загр зн ютс  и потому требуют изменени  калибровки системы, В таких случа х осуществл ют непрерывное контролирование сигнала, получаемого от пр мого излучени , и это вьшолн ют с целью динамической компенсации сигнала, получаемого из детектора рассе нного излучени . При высоких уровн х концентрации масла предельное ослабление излучени  ведет к получению большой степени нелинейности выходного сигнала. Изобретение сводит этот недостаток к минимуму благодар  использованию схемы автоматического регулировани  усилени  (АРУ), котора  функционирует только тогда, когда в системе содержитс  чиста  вода.

Это можно продемонстрировать уравнением , определ ющим спектральную поглощающую способность А жидкости, содержащейс  в камере:

А log ,

где

1о входное излучение; выходное излучение,

1 - Если значение 1

сто нным, а значение

поддерживать по- А пропорциональным уровню.концентрации масла С, тогда

5

s 0

0

С К log 1/1, где К - константа.

Следовательно, дл  получени  на выходе показаний степени концентрации масла сигнал пр мого излучени  необходимо подать на усилитель, имеющий логарифмическую характеристику. Кроме того, поскольку окна загр зн ютс , система усилени  рассе нного излучени  регулирует работу усилителей сигналов так, чтобы они обеспечивали получение одинаковых характеристик чувствительности,

Устройство содержит фотодетекторы 13 и 14 с усилител ми, систему 15 томатической регулировки усилени  и твердотельньш лазер 16 со св занной с ним цепью синхронизации. Управление цепью детекторов осуществл ют с помощью системы автоматической регулировки усилени .

Главными элементами системы АРУ  вл ютс  две входные схемы 17 и 18, содержащие цифроаналоговые преобразователи и счетчики. Дл  этой цели может использоватьс  интегральна  схема типа Z № 425Е (выполненна  фирмой Ферранти лтд) с добавлением к ней 8-битового счетного устройства. Выходной сигнал преобразовател  определ етс  формулой:

. 256

g где Uon;, напр жение опорного источника; п - число импульсов (до 256) на

входе счетного устройства. Когда требуетс  произвести калибровку схемы, переключатель 19 включают , замыка  цепь 20 задержки, котора  может быть представлена устройством Е555, один выход которого соедин ют с промывочным клапаном (не показан ), осуществл ющим подачу чистой воды в камеру. После проьывки камеры чистой водой, продолжавшейс  в течение заданного периода времени, например в течение 3 мин, схема задержки задерживает отключение подачи чистой воды и генерирование выходного импульса с целью переустановки счетчиков в схеме 18 и включени  триггера 21, содержащего четырехвходовую логичесg кую  чейку И, Это поз вол ет с помощью импульсов, выход щих из генератора 22 тактовой частоты, представленного автоколебательным мультивибратором , осуществл ть синхрониза0

5

0

ДИК) счетчиков схем 17 и 18. Напр жение выходного импульса схемы 17 повышают до 0,2В и через буферный усилитель 23 подают на вход компаратора 24 на операционном усилителе, который измен ет свое состо ние, переключа  триггер 21 и прерыва  тем самым дальнейшую подачу импульсов в схемы 17 и 18, При помопщ этого средства через линейный усилитель 25 на логарифмический усилитель 26 подаетс  напр жение, соответствующее нулевому уровню концентрации масла,

Усиление канала рассе нного излучени  регулируетс  усилителем 27 с регулируемым порогом, на который поступает сигнал со схемы 18 через буферный усилитель 28 совместно с каналом пр мого излучени . В случае, ког- 20 лом детектора, принимающего излуче| .да Отверсти  камеры загр зн ютс  так, что напр жение входного сигнала пр мого излучени  составл ет менее

0,2 В, компаратор 24 не измен ет свое; го состо ни  И триггер 21 не переклю- ; чаетс , но через выходной транзистор ; 29 включаетс  сигнальыа  лампочка.

; Управл юща  схема, включающа  уси- ; лители 30-32, управл ет переключе- I нием диапазонов устройства через ме- 1 ханическое реле 33 при уровне концент-. рации масла около 200 ч. на млн, В некоторых случа х дп  переключени  диапазонов может быть применен твердотельный переключатель, однако из- за недостаточной надежности существую- щи х устройств CMOS и селективной сложности переключател , использующего обычные оперативные усилители,

45

предпочтительным  вл етс  использова- дд тем, чтобы получить сигнал, необходимый дл  усилени  или ослаблени  входного излучени  лазера, так как устройство с течением срока службы и из-за температурных воздействий стареет ,

В корпусе лазера может быть установлена пластина кремниевого детектора дл  обеспечени  управл ющего сигнала.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   ние механическрго реле, которому свойственна высока  надежность,

   Проверка калибровки усилител  27 рассе нного излучени , не может быть произведена, например, путем ввода в траекторию излучени  фильтра, соответствующего заданному уровню концентрации масла. Это объ сн етс  тем, что, в ртличие от случа  траектории 1пр мого сигнала, сигнал, выход щий ИЗ детектора рассе ннбго излучени  будет нулевым, если в воде отсутствует масло. Следовательно, чтобы произвести проверку правильности калибров- ки системы, с помощью переключател  34 калибровки часть сигнала пр мого излучени  через схему 38 подают на вход системы усилени  рассе нного излучени . Результирующий выходной сиг50

   Устройство дл  измерени  концент- gg рации нефти в воде, содержащее источник светового луча, камеры с одним оптическим окном дл  ввода светового луча и двум  выходными оптическими окнами, оптически св занными через

   нал должен быть посто нным, если калибровка правильна .

   Выходы 35 и 36 усилителей сигналов пр мого и рассе нного излучений соединены соответственно с переключаемыми контактами реле, выход которого св зан с буферным выходным усилителем 37, питающим самопишущий прибор 39 или индикатор (не показан).

   В некоторых случа х желательно, чтобы камера бьша снабжена еще одним выходным отверстием (не показано) с тем, чтобы излучение было рассе но под углом большим, чем тот, который показан на фиг.2, Выходной сигнал дополнительного детектора, соединенного с упом нутым дополнительным выходным отверстием, сравнивают с сигна5

   ние, рассе нное под углом об . Таким образом достигают существенного уменьшени  вли ни  твердых загр зн ющих частиц.

   Предпочтительным источником излучени  дл  детекторного устройства  вл етс  лазер на арсениде гали , длина волны излучени  которого лежит в области инфракрасного спектра вне пределов полосы поглощени  воды. Этот лазер совместно с высокоскоростными кремниевыми фотодетекторами об-, разует очень стабильную систему с низким уровнем шума. Управление ла зе- 5 ром может осуществл тьс  отдельной системой, посредством которой излучение получают через, оптическое волокно отдельно из передней или задней части лазера и измер ют его с

   0

   Устройство дл  измерени  концент- gg рации нефти в воде, содержащее источник светового луча, камеры с одним оптическим окном дл  ввода светового луча и двум  выходными оптическими окнами, оптически св занными через

   7

   световоды одно с приемником пр мо прошедшего светового луча, другое - с приемником рассе нного светового луча, при этом приемники выполнены с возможностью преобразовани  падающего светового луча в сигнал напр жени , отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности, в устройство введены две входные схемы, кажда  из которых состоит из цифро- аналогового преобразовател  и счетчика , имеющего п выходов, соединенных

   14

   с п входами цифроаналогового преобразовател , вход возврата в исходное состо ние и вход тактовых импульсов, триггер с трем  входами и двум  выхо- ДЙ.МИ, три усилител , компаратор, источник опорного напр жени , источник тактовых импульсов, схема задержки, переключатель калибровки, логарифмический усилитель, усилитель с регулируемым порогом, переключающее реле с трем  контактами, управл юща  схема и выходной буферный усилитель, при этом вход первой входной схемы соединен с выходрм приемника пр мо прошедшего светового луча, а вход второй - с выходом приемника рассе нного светового луча, первый выход триггера

   с , , ig - 20 а 25 зо

   4368938

   соединен с входами возврата в исходное состо ние счетчиков входных схем, а второй выход - с входами тактовых импульсов этих счетчиков, вход первого усилител  соединен с выходом первой входной схемы, первый вход компаратора - с выходом первого усилител , второй.его вход - с источником 10 опорного напр жени , а выход - с первым входом триггера, второй и третий входы которого соединены соответственно с источником тактовых импульсов и выходом схемы задержки, вход которой соединен с переключателем калибровки , вход второго усилител  соединен с выходом первого усилител , а выход его - с входом логарифмического усилител , вход третьего усилител  соединен с выходом второй входной схемы, а вы.ход его - с входом усилител  с регулируемым порогом, первьш контакт переключающего реле оперативно соединен с выходом логарифмического усилител , второй контакт - с выходом усилител  с регулируемым порогом , третий контакт - с входом выходного буферного усилител , выход управл ющей схемы соединен с обмоткой переключающего реле.

   фиг.2

   чг.З

   фиг,5