Фотоелектричний аналізатор рідини

Винахід відноситься до оптичних методів і засобів аналізу речовин матеріалів по поглинанню випромінювання і може бути використаний для виміру концентрації речовин у рідинах, безпосередньо в технологічних потоках. У фотоелектричних аналізаторах, в яких використовуються оптичні спектри поглинання для виміру концентрації розчинених речовин, виникають проблеми, пов'язані з пробовідбором і підтримкою чистоти оптичної кювети. Періодичне промивання кювети не забезпечує повне видалення частинок аналізованої речовини і неконтрольованих домішок, що приводить до великих похибок у визначенні концентрації шуканої компоненти речовини. Іншим джерелом похибки є нестабільності джерела оптичного випромінювання, мінливість параметрів оптико-електронного тракту і нелінійність перетворювальної характеристики, яка обумовлена експоненціальним законом Ламберта-Бугера. Відомий фотоелектричний аналізатор рідини (див. Тхоржевский В.П. Автоматический анализ газов и жидкостей на химических предприятиях. -М.: Химия, 1976, -С.108-112), що містить джерело оптичного випромінювання, світловий фільтр, камеру для аналізованої речовини, приймач оптичного випромінювання, підсилювач і вторинний реєструючий прилад. У рівнянні перетворення аналізатора, неминуче присутні похибки пов'язані з мінливістю параметрів оптико-електронного тракту і нелінійністю перетворювальної характеристики. Відомий фотоелектричний аналізатор рідини для виміру концентрації однієї рідини, що знаходиться в інший (пат. США № 4809543, МПК6 G01N21/85, 1989). Прилад вимірює концентрацію нафти, що включає воду і протікає по трубопроводу. Він містить насос із вхідною трубкою, яка сполучена з джерелом вимірювальної рідини і вихідну трубку, камеру для прийому потоку рідини з нафтою з насоса, джерело світла для створення світлового променя, вимірювач електричного сигналу фотоелемента, фотоелемент для прийому світла, пристосування для подачі в камеру визначеної кількості рідини, вільної від нафти. Світло, що пройшло від джерела через камеру, потрапляє на фотоелемент. Електричний сигнал фотоелемента характеризує інтенсивність світла, що пройшло через досліджувальну рідину, яка протікає через камеру. Рідина, вільна від нафти, необхідна для порівняння інтенсивності світла, яке пройшло через неї, з інтенсивністю світла, що пройшло через рідину з нафтою. Проте, цей прилад не забезпечує високої точності виміру концентрації аналізованої компоненти, через вплив забруднення стінок камери для прийому досліджуваної рідини. Відомий також фотоелектричний аналізатор рідини (Скрипник Ю.А, Глазков Л.А., Горкун В.В. Фотоэлектрические методи контроля концентрации веществ в жидких и газообразных средах., Изв. вузов. Технол. легкой пром-сти, 1989, №3, повідомлення 2, -С.116-121), що містить джерело монохроматичного випромінювання, оптично сполучене через перший формувач оптичного променя з робочою камерою складеної кювети, камера порівняння якої через другий формувач оптичного випромінювання оптично сполучена з приймачем оптичного випромінювання, вихід якого через аналого-цифровий перетворювач з'єднаний із першим входом мікро-ЕОМ, другий вхід якої з'єднаний із пультом керування, перший вихід мікро-ЕОМ з'єднаний із входом дисплея, а другий - з багатоканальним цифро-аналоговим перетворювачем. Крім того, фотоелектричний аналізатор рідини містить складений призматичний клин, виготовлений у вигляді порожнистих сполучених призм, при цьому одна призма наповнена зразковою рідиною з відомою концентрацією, а друга - розчинником або розчином порівняння, складену кювету, що має проточну робочу камеру з аналізованим розчином і непроточну камеру з розчином порівняння, виконану так само у вигляді сполучених призм, а також електроприводи переміщення складеної кювети і призматичного клина, ланцюги керування яких з'єднані з третім і четвертим виходами цифро-аналогового перетворювача. Проте, у відомому приладі при переміщенні кювети для зміни товщини шару аналізованого середовища монохроматичний промінь проходить через різні ділянки стінок кювети з різним ступенем забруднення, крім того, зворотно-поступальний рух кювети викликає зміну характеру потоку аналізованого середовища, що порушує однозначність вимірювального шару речовини, а робота електроприводів супроводжується неконтрольованими люфтами і "мертвими" зонами, через що виникають помилки виміру концентрації аналізованої компоненти. В основу винаходу покладена задача створення фотоелектричного аналізатора рідини, в якому введенням нових елементів і зв'язків між ними забезпечилось би підвищення точності виміру концентрації аналізованої компоненти. Поставлена задача вирішується тим, що у фотоелектричний аналізатор рідини, що містить джерело монохроматичного випромінювання, оптично сполучене через перший формувач оптичного променя з робочою камерою складеної кювети, камера порівняння якої через другий формувач оптичного випромінювання оптично сполучена з приймачем оптичного випромінювання, вихід якого через аналого-цифровий перетворювач з'єднаний із першим входом мікро-ЕОМ, др угий вхід якої з'єднаний із пультом керування, перший вихід мікро-ЕОМ з'єднаний із входом дисплея, а другий - з багатоканальним цифро-аналоговим перетворювачем, згідно винаходу додатково містить проміжну ємність, першу і другу буферні ємності, електрооптичний модулятор, радіочастотний генератор із блоком перебудови частоти, камера порівняння складеної кювети виконана проточною, проміжна ємність входами підключена до першої і другої буферних ємностей, а її вихід підключений до входу камери порівняння складеної кювети, електрооптичний модулятор розташований між джерелом монохроматичного випромінювання і першим формувачем оптичного променя, радіочастотний генератор із блоком перебудови частоти виходом з'єднаний з входом електрооптичного модулятора, а вхід блока перебудови частоти з'єднаний з виходом багатоканального цифро-аналогового перетворювача, причому інший вихід останнього електромагнітно сполучений з буферними ємностями. Введення електрооптичного модулятора і радіочастотного генератора з блоком перебудови частоти в схему приладу дозволяє змінювати довжину хвилі джерела монохроматичного випромінювання, вводячи додаткові цикли вимірювання при нерухомій складеній кюветі і заповненні камери порівняння складеної кювети по черзі розчином порівняння і розчином із відомою концентрацією, що виключає вплив похибки перетворення, мінливість чутливості фотоприймача та інтенсивності джерела монохроматичного випромінювання, коефіцієнта поглинання досліджуваної рідини і рідини порівняння, оптичних втрат (загасання) у стінках кювети та у формувача х оптичного променя, та забруднення стінок камери кювети, що забезпечує підвищення точності виміру концентрації аналізованої компоненти. На фіг.1 приведена функціональна схема фотоелектричного аналізатора рідини, на фіг.2 - блок-схема алгоритму роботи фотоелектричного аналізатора рідини. Фотоелектричний аналізатор рідини містить джерело монохроматичного випромінювання 1, оптично сполучене через перший формувач оптичного променя 2 із робочою камерою 3 складеної кювети 4, камера порівняння 5 якої через другий формувач оптичного випромінювання 6 оптично сполучена з приймачем оптичного випромінювання 7, вихід якого через аналого-цифровий перетворювач 8 з'єднаний із першим входом мікро-ЕОМ 9, другий вхід якої з'єднаний із пультом керування 10, перший вихід мікро-ЕОМ з'єднаний із входом дисплея 11, другий вихід з'єднаний із багатоканальним цифро-аналоговим перетворювачем 12, перший вихід якого з'єднаний із ланцюгами керування першого електричного насоса 13 і першого електромагнітного клапана 14, при цьому вхід електричного насоса підключений через гомогенізатор 15 до технологічного трубопроводу 16, ви хід насоса 13 через перший електромагнітний клапан 14 підключений до входу робочої камери 3 складеної кювети 4, вихід якої підключений до технологічного трубопроводу 16 через другий електромагнітний клапан 17, ланцюг керування якого з'єднаний з другим виходом багатоканального цифро-аналогового перетворювача 12, проміжну ємність 18, виходом підключену до входу камери порівняння 5 складеної кювети 4, перший вхід якої підключений через третій електромагнітний клапан 19, ланцюг керування якого з'єднаний з третім виходом цифро-аналогового перетворювача 12, до трубопроводу промивочної рідини 20, другий і третій входи проміжної ємності 18 підключені через четвертий 21 і п'ятий 22 електромагнітні клапани, ланцюги керування яких з'єднані з четвертим і п'ятим виходами, багатоканального цифро-аналогового перетворювача 12, до виходів буферних ємностей 23 і 24, входи яких через шостий 25 і сьомий 26 електромагнітні клапани, ланцюги керування яких з'єднані з шостим і сьомим виходами багатоканального цифро-аналогового перетворювача 12, підключені до входу восьмого електромагнітного клапана 27, ланцюг керування якого з'єднаний з восьмим виходом багатоканального цифроаналогового перетворювача 12 і виходом другого електричного насоса 28, ланцюг керування якого з'єднаний з дев'ятим виходом багатоканального цифро-аналогового перетворювача 12, вхід другого насоса 28 підключений до виходу камери порівняння 5 складеної кювети 4, електрооптичний модулятор 29, розташований між джерелом монохроматичного випромінювання 1 і першим формувачем оптичного променя 2, радіочастотний генератор 30 із блоком перебудови частоти 31, вихід якого з'єднаний з електричним входом електрооптичного модулятора 29, а керуючий вхід блока перебудови частоти 31 з'єднаний із десятим виходом багатоканального цифро-аналогового перетворювача 12. Фотоелектричний аналізатор рідини (фіг. 1) працює по програмі відповідно до блок-схеми фіг.2. За командою мікро-ЕОМ 9 із виходу багатоканального цифро-аналогового перетворювача 12 включаються джерело монохроматичного випромінювання 1, насос 13, відкривається електромагнітний клапан 14 і досліджувана рідина з технологічного трубопроводу 16 через гомогенізатор 15 заповнює робочу камеру 3 складеної кювети 4. Далі за командою мікро-ЕОМ 9 із виходу цифро-аналогового перетворювача 12 включається другий насос 28, відкривається клапан 21 і рідина порівняння з буферної ємності 23 через проміжну ємність 18 заповнює камеру порівняння 5 складеної кювети 4, електромагнітні клапани 19, 25, 26 при цьому закриті (блоки 2.1... 2.4). У програмі роботи фотоелектричного аналізатора рідини передбачена тимчасова затримка, розмір якої визначається часом заповнення камер складеної кювети 4 (блок 2.25) рідинами дослідження, порівняння та промивки. Оптичне випромінювання довжиною хвилі l 0 джерела монохроматичного випромінювання 1, сфокусоване формувачем оптичного променя 2, зондує складену кювету 4, через робочу камеру 3 якої протікає досліджувана рідина (блок 2.5). Після цього, по команді мікро-ЕОМ 9 із виходу цифро-аналогового перетворювача 12 змінюють частоту блока перебудови частоти 31 радіочастотного генератора 30 таким чином, щоб на виході електрооптичного модулятора 29 довжина хвилі випромінювання стала рівною l 1 , при якій встановлюється максимальне поглинання в робочій камері 3 складеної кювети 4 (блоки 2.11...2.13). При цьому інтенсивність ослабленого зондуючого випромінювання I1 , на виході робочої камери 3 визначається формулою: 1 I1(l 1 ) = I 0 (l 1 )exp{ -[k 1(l 1 )C x + k 2 (l 1 )(1 - C x )]l1 } , (1) 1 де I0 (l 1 ) - інтенсивність оптичного випромінювання на вході кювети 4; C x - концентрація шуканої компоненти в досліджуваній речовині; k 1(l 1 ) і k 2 (l 2 ) - коефіцієнти поглинання шуканої компоненти і розчинника (повітря або води) на довжині хвилі l 1 ; l1 - товщина робочої камери. Інтенсивність зондуючого випромінювання I11 , на виході камери порівняння 5 складеної кювети 4 має вид: 1 I11 (l 1 ) = I1 (l 1 ) exp[- k 2 (l 1 )l2 ] , (2) 1 1 де l2 - товщина камери порівняння 5 кювети 4. З огляду на значення I1 із виразу (1), ослаблення A випромінювання стінками складеної кювети 4 і 1 забруднення B скла робочої камери 3 інтенсивність випромінювання на виході складеної кювети можна визначити точніше: ì ü ï ék (l )C + k 2 (l1 )(1 - C x )l1 -ùï I1(l1 ) = I 0 (l1 )exp í- ê 1 1 x úý . (3) ( ï ë- k 2 (l1 )l2 - A(l1 ) - B l1 ) ûï î þ Далі оптичне випромінювання через формувач оптичного випромінювання 6 потрапляє на приймач оптичного випромінювання 7. Прийняте приймач оптичного випромінювання 7 випромінювання перетворюється в електричний сигнал. Електрична напруга на вході цифро-аналогового перетворювача 12 дорівнює: U1 = S1 ln[S 2 (l 1 )(1 + g1 )I1 (l 1 )] + d 1 , (4) де S1 - крутизна логарифмічного перетворення; S 2 (l 1 ) - спектральна чутливість приймача оптичного випромінювання 7 на довжині хвилі l 1 ; d 1 - абсолютна адитивна похибка; g 1 - відносна мультиплікативна похибка. Напруга U1 перетворюється аналого-цифровим перетворювачем 8 у цифровий код і запам'ятовується в пам'яті мікро-ЕОМ 9. (блок 2.14). За командою мікро-ЕОМ 9 із виходу ци фро-аналогового перетворювача 12 закривається електромагнітний клапан 21, відкривається електромагнітний клапан 25 і рідина порівняння перекачується з камери порівняння 5 у буферну ємність 22 (блок 2.15). Надалі за командою мікро-ЕОМ 9 із виходу цифро-аналогового перетворювача 12 відкривається електромагнітний клапан 19 і промивочна рідина (вода) із трубопроводу з промивочною рідиною 20 надходить спочатку в проміжну ємність 18 і далі заповнює камеру порівняння 5 складеної кювети 4, електромагнітний клапан 27 закритий. Після чого по команді мікро-ЕОМ 9 із виходу цифро-аналогового перетворювача 12 відкривається електромагнітний клапан 27, через який промивочна рідина зливається в трубопровід 20. Після промивання по командах мікро-ЕОМ 9 електромагнітні клапани 19, 27 закриваються (блоки 2.24... 2.26). Потім командою мікро-ЕОМ 9 із виходу цифро-аналогового перетворювача 12 відкривається клапан 22 і камера порівняння 5 заповнюється слабоконцентрованим розчином досліджуваної рідини з відомою концентрацією C 0 із буферної ємності 24 через проміжну ємність 18 при цьому електромагнітний клапан 26 залишається закритим (блок 2.16). Інтенсивність випромінювання на виході складеної кювети 4 зменшиться до значення I2 (l ) : ì- [k 1 (l 1 )C x + k 2 (l 1 )(1 - Cx )]l1 - ü ï ï I2 (l 1 ) = I 0 (l 1 ) exp í- [k 1 (l 1 )C 0 + k 2 (l 1 1- C0 )]l2 - ý (5) )( ï- A (l ) - B (l ) ï 1 1 î þ У слабко концентрованому розчині з відомою концентрацією C 0 вибираємо C0