2. Приборы серийного производства для измерения мутности воды

Серийно выпускаемые датчики мутности воды можно ориентировочно разделить на два основных типа:

1. Нефелометры, которые измеряют долю света, рассеиваемого под определенным углом отпадающего пучка луча, например, под углом 90°.

2. Абсорбциометры, принцип действия которых основан на измерении поглощения (или ослабления) проходящего через пробу пучка света.

Нефелометры фиксируют свет, рассеиваемый взвешенными в пробе частицами. Для них наиболее распространена нефелометрическая оптическая схема с углом 90°. Не следует путать такие приборы с приборами,

основанными на прямом или обратном рассеивании света. Использование нефелометров позволяет решить многие проблемы, например, связанные с цветом или недостатком чувствительности

В абсорбциометрах пучок света проходит через пробу, и его интенсивность измеряется фотоприемником, расположенным на одной линии с источником света. На измерение мутности с помощью абсорбциометров может влиять присутствие растворенных красителей. Однако такое влияние минимизируется выполнением измерений на длине волны 880 нм, находящейся в инфракрасной области спектра. В этом случае система имеет низкую чувствительность, так как изменения низких значений мутности приводят к очень небольшому изменению выходного сигнала датчика, которое трудно измерить. Обычно такой проблемы не возникает при средних и высоких значениях мутности, поэтому данный метод оказывается надежным для многих областей применения.

Большая часть анализаторов мутности, используемых в отрасли водоснабжения, применяется для установок очистки питьевой воды, хотя измерения мутности также применяются и на установках очистки канализационных сточных вод. Обычно приборы, применяемые на установках очистки канализационных сточных вод, используются для определения содержания взвешенных твердых веществ, поэтому они

калибруются не в единицах измерения мутности NTU, а в мг/л.

На установках очистки питьевой воды требуется измерение мутности поступающей сырой воды, воды в процессе обработки, а также для определения качества очищенной воды. В качестве ориентировочного правила можно указать, что для измерения значений мутности ниже 100 NTU следует использовать датчики нефелометрического типа, а для значений мутности выше 100 NTU лучше подходят абсорбционные датчики.

Как абсорбциометры, так и нефелометры калибруются с помощью суспензий формазина. В связи с этим обеспечивается хорошее совпадение для различных значений по формазину. При этом необходимо отметить, что результаты, получаемые с использованием двух любых методов измерения мутности с калибровкой по формазину, обычно различаются для реальных проб. Конкретное взаимодействие пучка света с твердой частицей зависит от большого числа параметров, например, от длины волны источника света, размера частицы, формы и показателя преломления частицы

может использоваться для проб с мутностью 200 NTU.

10.3 Новые автоматические мутномеры

К настоящему времени в России и за рубежом разработал целый ряд автоматических мутномеров, основанных на оптических изменени­ях. К ним относятся мутномеры системы АКХ, объединения "Аналитприбор", производства ФРГ, США, Японии, Швейцарии [36]. Однако, боль­шинство из них не позволяет достигнуть необходимой точности изме­рения или производит измерения в узких диапазонах мутности воды.

В Вологодском государственном техническом университете разработаны мутномеры двух конструкций: М-1 и М-2.

Мутномер М-1 предназначен для особо точных измерений при ма­лой мутности воды (рис.28).

Рис.28. Схема мутномера М-1

Мутномер содержит корпус 1, измерительный цилиндрический со­суд 2, расположенный в корпусе вертикально и имеющий дно 3 со встроенной выпуклой линзой 4. Дно 3 выполнено в виде клапана, уп­равляемого пружинами 5 и 6 и электромагнитами 7 к 8. В состав при­бора входят также оптический блок 9 для формирования светового по­тока, электродвигатель 10 с передачей 11 для вращения измеритель­ного сосуда 2, фотоприемник 12, труба для подвода воды 13 с элект­ромагнитным клапаном 14, труба для отвода воды 15, блок управления 16, в состав которого входит прибор для регулирования накала лампы 17. Фотоприемник 12 и электромагниты 7 и 8 располагаются в закры­том корпусе 18, к которому присоединена труба 19 для подвода кабе­ля к блоку управления 15. Измерительный цилиндр 2 имеет возмож­ность вращаться внутри корпуса 1 на подшипниках 20. На нижней час­ти измерительного сосуда 2 имеется герметизирующая прокладка 21.

Мутномер работает следующим образом.

В начальном положении включен электромагнитный клапан 14 и электромагниты 7 и 8. Между измерительным сосудом 2 и выпуклым дном 3 имеется зазор. Исходная вода поступает в корпус 1 по трубе 13, протекает через цилиндр 2, зазор между корпусом 1 и цилиндром 2, зазор между цилиндром 2 и дном 3 и вытекает через трубу 15 на слив. Периодичность повторения измерений мутности устанавливается с помощью реле времени, входящего в состав блока управления 16.

По сигналу, поступающему из блока управления 16, электромагнитный клапан 14 перекрывает подачу воды по трубе 13 и после опо­рожнения корпуса 1 отключаются электромагниты 7 и 8, в результате чего выпуклое дно 3 с помощью пружин 5 и 6 плотно прижимается к ци­линдру 2.

По сигналу от блока управления 16 включается электродвига­тель 10, который с помощью передачи 11 вращает измерительный ци­линдр 2 с дном 3 е течение определенного времени, достаточного для удаления капель воды с поверхности линзы 4. Такое "высушивание" линзы 4 путем центробежного удаления капель волы позволяет прово­дить калибровочный первичный замер через воздух, а не через эта­лонную жидкость, что повышает точность калибровки и исключает не­обходимость подвода к мутномеру эталонной жидкости при автомати­ческом измерении. Это значительно упрощает его конструкцию.

По сигналу блока управления 16 электродвигатель 10 отключает­ся и вращение измерительного сосуда прекращается. В этот же момент подается напряжение на лампу 17 и световой поток, проходя через оптический блок 9, пустой измерительный цилиндр 2 линзу 4 попадает в фотоприемник 12, от которого электрический сигнал поступает в блок управления 16.

Блок управления 16 изменяет уровень освещен­ности лампы, доводя его до номинального, соответствующего режиму калибровки. Величина напряжения, соответствующая номинальному уровню освещенности лампы запоминается блоком управления 16. После этого по сигналу блока управления 16 отключается лампа 17 и вклю­чаются электромагниты 7 и 8 и электромагнитный клапан 14. Вода протекает через корпус 1 и измерительный цилиндр 2. Затем последо­вательно отключаются сначала электромагниты 7 и 8, закрывая дном цилиндр 2, а затем электромагнитный клапан 14, прекращая подачу воды в корпус 1. В цилиндре 2 задерживается определенный объем во­ды. Избыток воды стекает по зазору между цилиндром 2 и корпусом 1 и удаляется через трубу 15. Такое движение воды по за­зору непосредственно перед проведением вторичного замера интенсив­ности светового потока через исследуемую воду позволяет исключить влияние на погрешность измерений конвекционных токов воды, вызван­ных разницей температур на наружной поверхности измерительного со­суда 2 и внутри сосуда. Это создает условия для исключения попада­ния одних и тех же частиц неоднократно под световой поток, что увеличивает точность измерений. После прекращения движения воды по сигналу блока управления 16 снова подается напряжение на лампу и производится аналогичное первичному световому потоку регулирование накала лампы при вторичном световом потоке, проходящем через исс­ледуемую воду. Блок управления 16 определяет разности напряжений, поданных на лампу 17 при вторичном и первичном (калибровочном) световых потоках и по этой разности определяет мутность исследуе­мой воды.

Мутномер М-2 [37] предназначен для проведения измерений с несколько меньшей точностью, чем на мутномере М-1, но в максималь­но широком диапазоне измерений (рис.29).

Для этого в одном приборе совмещены два оптических способа: определения интенсивности прошедшего через исследуемую пробу света и определения интенсивности рассеянного- частицами света.

Мутномер содержит оптический блок 1, создающий направленный световой луч; измерительный сосуд У-образной формы 2; внутренний сосуд 3 с трубой для отвода воды 4; патрубок для подачи воды 5 с электромагнитным клапаном 5; дренажный штуцер 7 с электромагнитным каланом 8; фотоприемник 9, регистрирующий отраженный частицами взвеси свет; фотоприемник 10, регистрирующий величину светового потока; блок управления 11; измерительный прибор 12 и защитное стекло 13.

Мутномер работает следующим образом.

Перед началом измерения по сигналу блока управления 11 элект­ромагнитный клапан 6 перекрывает подачу воды на входном патрубке 5 и в этот же момент электромагнитный клапан 8 перекрывает выпуск воды на дренажном штуцере 7. При этом избыток воды из измери­тельного сосуда 2 сливается во внутренний сосуд 3 и отводится по отводящей трубе через отверстие 4. В измерительном сосуде 2 движение воды прекращается и задерживается определенный объем во­ды, необходимый для проведения измерения.

По команде блока управления 11 от оптического блока 1 в изме­рительный сосуд 2 направляется световой луч.

Рис. 29.Схема мутнометра М-2

В этот же момент включается в работу фотоприемник 9. Отраженный от взвешенных час­тиц свет регистрируется фотоприемником 9, который в зависимости от интенсивности этого света подает соответствующий электрический сигнал через блок управления 11 на измерительный прибор 12. Так как в измерительном сосуде вода неподвижна, частицы взвеси могут двигаться только в вертикальном направлении, что исключает возмож­ность их неоднократного попадания под световой луч и, следова­тельно, уменьшает погрешность измерения.

Кроме того V-образная конструкция измерительного сосуда "уводит" световой луч в его левую часть, поэтому отраженный от стенок или рассе­янный свет не может попасть на фотоприемник 9. Это также уменьшает погрешность измерения.

Если же концентрация взвешенных частиц настолько мала, что от фотоприемника 9 в блок управления 11 электрический сигнал не пос­тупает, или этот сигнал слишком слаб, через несколько секунд после начала измерения по команде блока 11 фотоприемник 9 выключается из работы и в работу включается фотоприемник 10, который регистрирует силу светового луча, прошедшего через весь измерительный сосуд пу­тем отражения от его стенок, и попадает соответствующий электри­ческий сигнал через блок управления 11 на измерительный прибор 12. Такое удлинение пути светового луча при малом содержании взвешенных в воде частиц значительно повышает вероятность его встреч с этими частицами, что позволяет определять величины малой мутности годы и уменьшает погрешность измерений. После получения соответствующего электрического сигнала от фотоприемника 9 или 10 и индикации этого сигнала на

измерительном приборе 12, измерение считается законченным и по команде блока уп­равления 11 электромагнитный клапан 6 открывает подачу воды в из­мерительный сосуд 2, а электромагнитный клапан 8 открывает дренаж­ный штуцер 7.

Часть воды, проходящей через дренажный штуцер 7 вы­носит задержавшиеся в измерительном сосуде 2 крупные частицы взве­си. Таким образом обеспечивается промывка измерительного сосуда.