Согласно плану проведения экспериментальных и теоретических исследований, задачами настоящего этапа являлись:

1. Разработка макетов лабораторных установок по контролю изменений оптической плотности водных сред и изменений оптической плотности биотканей.

2. Разработка программного обеспечения к лабораторным установкам.

3. Построение математических моделей прохождения оптического излучения через биоткань и водную среду.

4. Исследование прохождения оптического излучения через биоткань, и исследование оптических свойств веществ, загрязняющих контролируемые водные среды.

Объектом исследования являются средства контроля изменений оптической плотности неоднородных оптических сред.

Предметом исследования являются модели прохождения оптического излучения через биоткань и неоднородную водную среду.

Все перечисленные задачи выполнены. В результате разработаны и апробированы макеты лабораторных установок для контроля (измерения) изменений оптической плотности неоднородных сред, а также предложены модели прохождения оптического излучения через водную загрязненную среду и биоткани.

1 Основная часть. Разработка лабораторных установок и программного обеспечения к ним

1.1 Макеты лабораторных установок

1.1.1 Разработка лабораторной установки по контролю изменений оптической плотности водных сред

Для проведения исследований была разработана лабораторная установка. На рисунке 1 приведена 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 1 – 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.

Функциональная схема установки изображена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Функциональная схема установки: 1, 3, 5 - проходные вентили; 2- резервуар с примесью 1; 4- резервуар с примесью 2; 6- колено; 7- труба Вентури; 8- измерительный датчик; 9 - опорный датчик; 10 - электронный блок: микроконтроллер ATmega-48-20, аналогово-цифровые преобразователи, усилитель-формирователь импульсов; 11- конвертор сигналов USB - RS485; 12- персональный компьютер; 13- блок питания; 14, 15- предусилители; 16- электронный ключ; 17- электромагнитный клапан

В гидросистему установки вода подаётся из бытовой системы водоснабжения. Для перекрывания потока имеется проходной вентиль 1. К трубе, по которой течёт вода, присоединены трубы, идущие от резервуаров, в которых находятся примеси. Проходные вентили 3 и 5 предназначены для регулировки количества примеси, поступающей в воду. На данном этапе происходит первичное смешивание воды с примесью. Следуя далее по трубе, смесь проходит колено 6, предназначенное для интенсификации смешивания воды с загрязняющим веществом. Труба Вентури 7 устанавливается после колена. Измерительный датчик 8 устанавливается на горловине трубы Вентури, где происходит наиболее интенсивное смешивание жидкостей.

Кроме измерительного датчика в установке предусмотрен опорный датчик 9. Предусилители 14 и 15 предназначены для стабилизации мощности излучения лазерных диодов датчиков, и для усиления сигнала поступающего с фотоприёмника. Блоки 10-13 предназначены для обработки сигналов поступающих с датчиков и формирования импульсов для переключения исполнительного устройства. Электронный ключ 16 предназначен для преобразования управляющего импульса, поступающего с формирователя в постоянный ток, переключающий электромагнитный клапан 17. Клапан 17 имеет канал, назовём его входным, в который поступает жидкость. В зависимости от того на какой из двух электромагнитных приводов подано напряжение, поток с входного канала направляется в один из двух выходных. Клапан 17 управляется путём подачи на него управляющего напряжения, которое формируется в зависимости от свойств смеси. В случае если концентрация примеси в воде не превышает ПДК то открыт канал «a», в противном случае вода направляется в канал «b».

На данном этапе предполагалось разработать стенд для определения изменения оптической плотности водных сред, обусловленного примесными добавками и отработать систему автоматизации установки. Состав примесных добавок определяется видом возможных конкретных загрязнителей, которые возможны на контролируемом промышленном объекте.

Для решения поставленных задач был собран измерительный стенд. Элементы стенда помещены в корпус, предотвращающий попадание излишнего света на приемники излучения. Корпус представляет собой разборную конструкцию в виде параллелепипеда. На дне корпуса расположены две взаимно перпендикулярные рельсы, предназначенные для оборудования оптической системы. Для каждого элемента системы были разработаны юстировочные приспособления, которые крепятся винтовым соединением к рельсам. Схема стенда изображена на рисунке 3.

Рисунок 3- Схема стенда: 1 – юстировочное устройство для лазера, 2 – линзовая коллимационная система, 3 – светоделительный кубик, 4 – кюветы, 5 – приемники излучения

Чтобы избежать бликов, возникающих вследствие диффузного отражения от стенок прибора, последние были затемнены черной матовой бумагой. Это позволяет увеличить точность измерений и избегать излишней засветки светочувствительного слоя.

Функциональная схема стенда представлена на рисунке 4. Инжекционный ток лазера задается в программе на персональном компьютере и через систему стабилизации подается на лазер. Излучение лазера попадает в систему формирования излучения, где делится на два пучка, поступающих в опорный и измерительный канал. Свет проходя каналы, ослабевает в исследуемых средах за счет процессов рассеяния и поглощения, и попадает на фотоприемники, где в дальнейшем преобразуется в электрический сигнал. Электрический сигнал усиливается в аналого-цифровом преобразователе и формируется в цифровой для дальнейшего поступления в персональный компьютер. Персональный компьютер считывает данные сигнала и записывает их в файл. АЦП питается от внешнего блока питания, который в свою очередь подключается от сети 220 В.

Рисунок 4 - Функциональная схема стенда

На рисунке 5 изображена оптическая схема стенда. Источником излучения служит 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 фотослой.

Выбор длины волны источника излучения был обусловлен оптическими свойствами воды. Из графика, представленного на рисунке 6, видно, что спектр линейного коэффициента поглощения воды в области видимого излучения имеет наименьшее значение. Следовательно, предполагая использование в установке автоматизации предупреждения аварийного выброса загрязняющих веществ в водную среду двух оптопар, останавливаем свой выбор на источниках излучения в области зеленого и красного участков спектра видимого излучения света.

Рисунок 5 - Оптическая система стенда. 1- лазер, 2 – диафрагма, 3 – коллимирующая линза, 4- светоделительный кубик, 5, 6 – кюветы, 8 – фотоприемники

Рисунок 6- Спектр поглощения воды [1]

Определение погрешности измерений на стенде

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 образцовом спектрофотометре Ishimaczy (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 7, 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. Следовательно, можно сказать, что в области изменения коэффициента пропускания от 5 до 100% фотоприемники работают в линейном режиме.

Рисунок 7- 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 интервала измерения

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.

Результаты измерений представлены на рисунке 8, а на рисунке 9 представлены экспериментальные значения изменения оптической плотности водного раствора (смеси воды и модельной жидкости) от объемного содержания модельной жидкости.

Рисунок 8- Зависимость коэффициента пропускания модельной жидкости от её объемной

концентрации в воде

Рисунок 9- Зависимость оптической плотности модельной жидкости от её объемной концентрации в воде