1.5.2.4 Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию

1.5.2.5 Копия материалов доклада на конференции со ссылкой на проведение нир в рамках реализации фцп «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы

ТЕСТИРОВАНИЕ ДАТЧИКОВ СТЕНДА ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ИЗМЕНЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ ВОДНЫХ СРЕД

М.А. Стерхова, А.С. Перминов, С.В. Журавлев, В.И. Мальцев, С.И. Юран

(Ижевск, ИжГТУ)

В настоящее время во многих странах мира, в том числе в России, существует дефицит ресурсов чистой, доброкачественной воды, что объясняется непрерывно продолжающимся антропогенным загрязнением природных водных ресурсов. Проблема чистой воды выходит на одно из первых мест, опережая такие проблемы всего мирового сообщества, как разрушение озонового слоя Земли, истощение природных энергоресурсов, изменение климата Земли, засоление и эрозия почв и др. [1-3].

Анализ источников экологической опасности показывает, что характер и масштабы антропогенного воздействия на природную среду связаны, прежде всего, с уровнем технической безопасности промышленных производств и объектов, а также с эффективностью системы предупреждения и ликвидации промышленных аварий [3-5]. На рисунке 1 представлены основные причины аварийных выбросов, влияющие на чистоту водной среды.

Рисунок 1 – Причины аварийных выбросов

Изменения исходных параметров водной среды может подразделяться на следующие категории в зависимости от продолжительности во времени:

длительные - постепенные изменения качества воды источника под воздействием внешних факторов;

кратковременные – изменения качества воды источника в коротком промежутке времени, от нескольких часов до нескольких дней, которые в свою очередь делятся на следующие:

а) кратковременные цикловые (повторяющиеся) - паводки, сезонные изменения, связанные с цветением воды или др. природные изменения;

б) кратковременные однократные – техногенные аварии, связанные деятельностью промышленных предприятий расположенных вблизи источника, либо стихийные бедствия [5, 6].

Наибольшую опасность представляет последний тип изменения водной среды в источниках, так как его сложнее зафиксировать приборами, использующимися для определения качества воды.

В связи с этим возникает задача уменьшения или исключения влияния кратковременного залпового выброса загрязняющих веществ в водоисточниках на процесс подготовки питьевой воды.

При появлении аварийного выброса в трубопроводе необходимо зафиксировать «сгусток жидкости» в течение определённого временного интервала.

На рисунке 2 показана схема автоматизации устранения аварийного выброса. При нормальном уровне загрязняющей примеси, не превышающем предельно допустимый для обеспечения работы технологического цикла водоочистки, вода через клапан отвода 2 поступает на фильтры очистки 3 и далее на дальнейшую очистку (белая стрелка на рисунке). В случае выброса на предприятии анализатор жидкости 1 вырабатывает сигнал информации, пропорциональный уровню загрязнения жидкости, поступающий на управляющий компьютер 5. В компьютере по соответствующей программе происходит сравнение уровня загрязнения с предельно допустимым уровнем. В случае достижения или превышения этого уровня, выдается команда на переключение клапана водоотвода 2, и вода, имеющая повышенный уровень загрязнения, поступает в отстойник 4. Из отстойника загрязненная вода либо вновь

Рисунок 2 – Система автоматизации устранения аварийного выброса

поступает на начальные этапы очистки, либо утилизируется. Введя дополнительный анализатор жидкости, расположенный на заданном расстоянии от первого, можно определить скорость перемещения «сгустка жидкости» и время переключения клапана отвода.

В связи с необходимостью в подборе соответствующих оптоэлектронных датчиков для определения изменения оптической плотности водных сред, обусловленного появлением аварийного выброса загрязняющих веществ в водоисточнике, был разработан соответствующий стенд на основе метода турбидиметрии [7].

Структурная схема стенда представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Структурная схема стенда

Инжекционный ток лазера задается программно с помощью компьютера и через систему стабилизации тока подается на лазер. Излучение лазера проходит через систему формирования излучения, где делится на два пучка, и поступает далее в измерительный и опорный каналы. Свет, проходя через исследуемую среду и среду сравнения, ослабевает за счет процессов рассеяния и поглощения, и попадает на фотоприемники, где преобразуется в электрические сигналы, которые после усиления и аналого-цифрового преобразования (АЦП) поступают в компьютер и записываются в файл.

Оптическая схема установки выполнена по двухканальной схеме с двумя фотоприемниками. Источник излучения – полупроводниковый лазер с длиной волны λ=619 нм. Разделяясь на две части, пучок света, проходя кюветы с чистой водой (опорный канал) и водой с примесью (измерительный канал), попадает на приемники излучения. Площадь светочувствительной площадки позволяет не использовать фокусирующих линз, чтобы весь свет, прошедший элементы системы, попадал на фотоприемную площадку.

Различают несколько типов оптической плотности в зависимости от характера падающего и способа измерения прошедшего потоков излучения. Оптическая плотность зависит от набора частот ν (длин волн λ), характеризующего исходный поток; её значение для предельного случая одной единственной ν называется монохроматической оптической плотностью. Регулярная монохроматическая оптическая плотность слоя нерассеивающей среды (без учёта поправок на отражение от передней и задней границ слоя) равна

где k_n - натуральный показатель поглощения среды,

l - толщина слоя, (k_nl = kcλ) - показатель в уравнении Бугера - Ламберта - Бера; если рассеянием в среде нельзя пренебречь, то k_n заменяют на натуральный показатель ослабления.

, (e – основание натурального логарифма)

где k_n - натуральный показатель поглощения среды,

l - толщина слоя, (k_nl = kcλ) - показатель в уравнении Бугера - Ламберта - Бера; если рассеянием в среде нельзя пренебречь, то k_n заменяют на натуральный показатель ослабления;

, (e – основание натурального логарифма).

Для смеси не реагирующих веществ или совокупности расположенных одна за другой сред оптическая плотность этого типа аддитивна, т. е. равна сумме таких же оптических плотностей отдельных веществ или отдельных сред соответственно. То же справедливо и для регулярной немонохроматической оптической плотности (излучение сложного спектрального состава) в случае сред с неселективным (не зависящим от ν) поглощением. Регулярная немонохроматическая оптическая плотность совокупности сред с селективным поглощением меньше суммы оптической плотности этих сред.

Пользуясь определением оптической плотности сред, найдем изменение оптической плотности, обусловленное введением примеси в среду измерительного канала. Она определяется по формуле:

D=-lg(τ),

где τ =(I_{i_izm}-I_{f_izm} )·k / (I_{i_op}-I_{f_op} ) – изменение коэффициента пропускания, обусловленного введением примеси в измерительный канал;

k – коэффициент приведения, учитывающий неэквивалентность каналов: коэффициент деления светового потока делительным кубиком, возможное различие геометрии каналов при калибровке (и измерении), возможное различие чувствительности фотоприемников и каскадов усиления сигналов от фотоприемников, и т.д.

I_{i_izm}-I_{f_izm} – значение уровня сигнала фотоприемника измерительного канала (I_{i_izm}) за вычетом фонового уровня этого канала (I_{f_izm});

I_{i_op}-I_{f_op} - значение уровня сигнала фотоприемника опорного канала (I_{i_op}) за вычетом фонового уровня сигнала этого канала (I_{f_op}).

Для определения стабильности работы стенда и погрешности получаемых результатов были получены данные при работе фотоприемников без излучения (измерение темнового уровня сигнала) и фонового уровня сигнала при включенном лазерном источнике. Время выхода фотоприемников на стабильный режим работы составило 17 минут (время «прогрева»), лазера – 9 минут с прогретыми предварительно фотоприемниками. Лазер в стенде работает в режиме насыщения инжекционного тока, это позволяет максимально стабилизировать уровень выходного излучения лазера.

Статистическая обработка результатов эксперимента по определению стабильности работы стенда, исходя из χ²- критерия, показала, что результаты измерений можно считать распределенными по нормальному закону. В связи с этим, используя теорию ошибок для нормального распределения данных с коэффициентом Стьюдента для вероятности 95 %, получена случайная погрешность стенда. Она не превышает 0,5 %.

Область линейности работы каналов установки определялась с помощью набора стекол и светофильтров с известными значениями коэффициентов пропускания в исследуемой области. Стекла – подложки от фотопластинок с удаленным фоточувствительным слоем – 15 шт. Предварительно коэффициенты пропускания стекол были измерены на эталонном спектрофотометре (86,7%). В эксперименте использовались следующие комбинации светофильтров: ОС-11+ЖЗС-18+ЖЗС-9+КС-13 и ОС-11+ЖЗС-18+КС-13. Результаты измерений на 15 стеклах и светофильтрах представлены на рисунке 4, где приведена зависимость измеренного коэффициента пропускания для различного количества стекол и соответствующих комбинаций светофильтров от теоретического значения. Эта зависимость сравнивается с зависимостью y=x. Из рисунка видно, что в пределах погрешности (<2%) результаты совпадают с линейной зависимостью.

Рисунок 4 – Сравнение экспериментального (измеренного на установке) и теоретического (измеренного на эталонном спектрофотометре) коэффициентов пропускания ( - линейная зависимость y=x; - 15 стекол; - комбинация из 4 светофильтров (ОС-11+ЖЗС-18+ЖЗС-9+КС-13); - комбинация из 3 светофильтров ОС-11+ЖЗС-18+КС-13). В верхнем левом углу представлен участок графика в более крупном масштабе с учетом погрешности измерения, где черные точки – границы доверительного интервалы измерения

Следовательно, можно сказать, что в области изменения коэффициента пропускания от 5 до 100% фотоприемники работают в линейном режиме.

После определения линейного режима работы фотоприемников и погрешности измерений коэффициента пропускания на стенде, были проведены измерения с модельной жидкостью. Модельная жидкость должна иметь полосу поглощения на длине волны излучения лазера и минимальное рассеяние.

На рисунке 5 представлены экспериментальные значения изменения оптической плотности водного раствора (смеси воды и модельной жидкости) от объемного содержания модельной жидкости.

Рисунок 5 – Зависимость оптической плотности модельной жидкости от её объемной концентрации в воде

Имея данные по спектральным свойствам конкретного загрязнителя, можно выбрать оптимальный спектральный диапазон для контроля этого загрязнителя. Разработанный стенд позволяет отрабатывать и настраивать оптоэлектронные датчики для конкретных загрязнителей, имеющихся в сточных водах конкретного предприятия в установках для непрерывного мониторинга аварийных выбросов на предприятиях.

Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (Государственный контракт № 16.740.11.0468 от 13.05.2011).

Список литературы:

1. Драгинский В.Л., Алексеева Л.П. Обеспечение качества питьевой воды в свете новых нормативных требований //Водоснабжение и санитарная техника, 2004, №9. -С. 2-6.

2. Долгоносов Б.М. Барьерная роль водопроводных станций в условиях повышенного загрязнения водоисточников // Сантехника, 2004, №5.

3. Арустамов Э.А. Природопользование: Учебник – М.: Издательский Дом «Дашков и К», 2001. - 267 с.

4. В.А. Акимов, Ю.Л. Воробьёв, М.И. Фалалеев Безопасность жизнедеятельности. Безопасность в чрезвычайных ситуациях природного и техногенного характера: Учебн. Пособие 2007-592с.

5. Б.Я. Щербаков, А.Я. Чиликин, В.С. B Ижевский Залповые сбросы производственных сточных вод и их последствия. // Экология и промышленность России, июль 2002 г.; с. 39-40.

6. Исаев В.Н. Проблемы снабжения и водоотведения // Водоочистка, 2010, №4. - С. 56-58.

7. Алексеев В.А., Козаченко Е.М., Хедр А. Снижение влияния аварийных выбросов в системах фильтрации сточных вод // Интеллектуальные системы в производстве. – Ижевск: Изд. ИжГТУ, 2008, №2.- С.137-144.