Обработка кривых изменения оптической плотности водных сред

 

Лабораторная установка контроля изменений оптической плотности водных сред включает в себя гидросистему для создания смесей, измерительную систему, содержащую источник и приемник оптического излучения, устройство сопряжения и передачи данных в цифровом виде в компьютер, а также электромагнитный клапан, обеспечивающий перекрытие основного потока жидкости с примесями [8 - 22].

После включения устройства, установки настроек контроллера, выполнения настроек «на текущую среду», проверяется уровень сигнала в воздушном оптическом тракте. Когда между источником сигнала и приемником находится воздушная среда, изменения сигнала незначительны и определяются флуктуационными токами аналоговых компонентов (рисунок 10).

Рисунок 10 - Окно настроек установки при пустом оптическом тракте

 

Далее в оптический тракт помещаются два стекла, имитирующие защиту источника и приемника оптического излучения от воздействия водных сред. Уровень сигнала изменяется незначительно и практически не меняется, хотя флуктуационный «шум» увеличивается (рисунок 11).

Рисунок 11 - Вид окна настроек при установке в оптический тракт защитных стекол

 

В оптический тракт между источником и приемником вводятся два стекла для защиты источника и приемника от попадания жидкости, запускаемой в установку в ходе измерений. Сигнал находится в установленном диапазоне параметров, динамика изменения оптической плотности и сигнала незначительны, хотя уровень сигнала несколько увеличился.

Далее источник и приемник оптического излучения устанавливаются в «крестовину» в рабочее положение. Уровень сигнала не меняется, «шумы» уменьшаются (рисунок 12).

Рисунок 12 - Вид окна настроек при установке источника и приемника оптического излучения в рабочее положение

 

Изменения уровня сигнала уменьшаются, так как в «крестовине» установлены стекла со специальным покрытием - «просветленные», средний уровень сигнала не меняется.

Далее, по гидросистеме пропускается дистиллированная вода. Оптическая плотность в сравнении с воздухом увеличивается, уровень сигнала снижается. Передний и задний фронты ярко выражены вследствие неровностей и неоднородностей переднего и заднего фронтов движения воды и ее смешивания с воздухом (рисунок 13).

Рисунок 13 – Вид окна настроек при пропускании по гидросистеме дистиллированной воды

 

В установку подается дистиллированная вода. Сигнал находится в установленном диапазоне, динамика изменения оптической плотности незначительная. Область, обозначенная на рисунке цифрой 1, соответствует моменту начала прохождения потока дистиллированной воды через оптический тракт и связанному с этим изменением коэффициентов пропускания и отражения среды. Замещение воздуха в оптическом тракте дистиллированной водой вызвало увеличение оптической плотности. Область 2 на рисунке соответствует прохождению потока дистиллированной воды через оптический тракт. Вода не содержит примесей, что наглядно показано отсутствием значительных скачков изменения оптической плотности на протяжении всего времени прохождения воды через оптический тракт. Область 3 соответствует моменту окончания прохождения потока дистиллированной воды через оптический тракт и замещению ее воздухом.

Далее осуществляется пропускание по гидросистеме водопроводной воды. Изменение уровней сигналов в начале и конце потока больше, чем при дистиллированной воде, а во время потока – меньше, вероятно, из-за наличия примесей и большего содержания растворенного газа (рисунок 14).

Рисунок 14 - Вид окна настроек при пропускании по гидросистеме водопроводной воды

 

В установку подается водопроводная вода. Сигнал находится в установленном диапазоне параметров, динамика изменения оптической плотности незначительная. Область, обозначенная на рисунке цифрой 1, соответствует моменту начала прохождения потока воды через оптический тракт и связанному с этим изменением коэффициентов пропускания и отражения среды. Замещение воздуха в оптическом тракте водой вызвало повышение оптической плотности излучения. Область 2 на рисунке соответствует прохождению потока воды через оптический тракт. Вода не содержит примесей, что наглядно показано отсутствием значительных скачков изменения оптической плотности излучения на протяжении всего времени прохождения воды через оптический тракт. Область 3 соответствует моменту окончания прохождения потока воды через оптический тракт и замещению ее воздухом.

В соответствии с программой экспериментов через гидросистему пропускается подсолнечное масло. Оптическая плотность увеличивается, изменение уровней сигналов в начале и конце потока (передний и задний фронты), менее выражены, предположительно, из-за более ровных поверхностей в соответствии с большей вязкостью масла. Изменение уровня сигнала превышает изменения при пропускании водопроводной и дистиллированной воды (рисунок 15).

Рисунок 15 - Вид окна настроек при пропускании по гидросистеме подсолнечного масла

 

В установку подается подсолнечное масло. Сигнал находится в установленном диапазоне параметров, динамика изменения оптической плотности незначительная. Область, обозначенная на рисунке цифрой 1, соответствует моменту начала прохождения потока масла через оптический тракт и связанному с этим изменением коэффициентов пропускания и отражения среды. Замещение воздуха в оптическом тракте маслом вызвало повышение оптической плотности излучения. Область 2 на рисунке соответствует прохождению потока масла через оптический тракт. Среднее значение оптической плотности при прохождении потока масла через оптический тракт выше, чем при прохождении потоков дистиллированной и водопроводной воды. Область 3 соответствует моменту окончания прохождения потока масла через оптический тракт и замещению его воздухом.

Для проверки чувствительности и определения порога срабатывания устройства применена методика использования заданных примесей. Через гидросистему пропускается взвесь подсолнечного масла в водопроводной воде. Проведены исследования смеси с содержанием 30 %, 40 %, 60 % и 70 % подсолнечного масла. При содержании примеси 30 %, соотношение водопроводной воды и подсолнечного масла 2 к 1, уровень сигнала незначительно отличается от уровня сигнала водопроводной воды, колебания уровня обусловлены наличием пузырьков воздуха (рисунок 16).

 

Рисунок 16 - Вид окна настроек при пропускании по гидросистеме воды с примесью

масла в пропорции 2:1

 

Для проведения данного опыта смешали воду с растительным маслом в пропорциях 2 к 1. На диаграмме видно, что до момента протекания жидкости по трубке значение сигнала установлено на уровне 120 делений. В начале прохождения жидкости через датчик происходит снижение уровня сигнала до минимального значения, выходящего за границы заданные перед опытом. Это обусловлено не ровным и не однородным фронтом смеси и влияет на оптическую плотность. Несмотря на выход сигнала за установленные границы, аварийный сигнал не срабатывает, поскольку время данного выхода меньше времени аварийной задержки. После этого сигнал на некоторое время стабилизируется на уровне 110 делений. Затем происходит еще один скачок, означающий задний фронт или конец прохождения жидкости. Снижение уровня сигнала в этом случае аналогично снижению уровня на переднем фронте, но длительность фронта меньше вследствие более быстрого протекания смеси. Сигнал до, после и во время прохождения жидкости меняется незначительно, что говорит о незначительном изменении оптической плотности смеси.

При содержании примеси 40 %, соотношение водопроводной воды и подсолнечного масла 3 к 2, уровень сигнала незначительно отличается от уровня сигнала водопроводной воды, и содержания примеси 30 % (рисунок 17).

 

Рисунок 17 - Вид окна настроек при пропускании по гидросистеме воды с примесью

масла в пропорции 3:2

Для проведения данного опыта вода смешана с растительным маслом в пропорциях 3 к 2. На диаграмме видно, что до момента протекания смеси по трубке значение сигнала установлено на уровне 110 делений. Уровень сигнала меньше, чем в предыдущем случае, что обусловлено не промытой после опыта трубкой и незначительным изменением настроек прибора. В начале прохождения жидкости происходит снижение уровня сигнала до выхода за нижнюю границу, заданную перед опытом, обусловленного неровностью переднего фронта смеси и влияющего на излучение. Несмотря на выход сигнала за границы, аварийный сигнал не срабатывает, поскольку продолжительность данного выхода меньше времени аварийной задержки. После этого сигнал на некоторое время стабилизируется на уровне 100 делений. Затем происходит еще один скачок, означающий конец прохождения жидкости. Сигнал до, после и во время прохождения жидкости меняется незначительно, что говорит о незначительном изменении оптической плотности смеси.

При содержании примеси 60 %, соотношение водопроводной воды и подсолнечного масла 2 к 3, уровень сигнала заметно отличается от уровня сигнала водопроводной воды, и содержания примеси 30 % и 40 % (рисунок 18).

Рисунок 18 - Вид окна настроек при пропускании по гидросистеме воды с примесью

масла в пропорции 2:3

 

В установку подается водопроводная вода с добавлением подсолнечного масла в качестве примеси в пропорции 2:3. Сигнал находится в установленном диапазоне параметров, динамика изменения оптической плотности заметна. Область, обозначенная на рисунке цифрой 1, соответствует моменту начала прохождения потока из смеси воды и масла через оптический тракт и связанному с этим изменением коэффициентов пропускания и отражения среды. Неровности и неоднородности переднего фронта протекания смеси вызвали повышение оптической плотности, и, соответственно, снижение уровня сигнала, но гораздо меньше, чем при содержании подсолнечного масла 30 % и 40 %. Область 2 на рисунке соответствует прохождению потока смеси через оптический тракт. Среднее значение оптической плотности при прохождении потока смеси через оптический тракт выше, чем при прохождении потоков дистиллированной, водопроводной воды и смесей с содержанием подсолнечного масла 30 % и 40 %. Область 3 соответствует моменту окончания прохождения потока смеси из воды и масла через оптический тракт и замещению его воздухом. До момента протекания жидкости по трубке значение сигнала установлено на уровне 140 делений. В начале прохождения жидкости через оптоэлектронный датчик, происходит снижение уровня сигнала примерно на 30 делений, после чего сигнал на некоторое время стабилизируется на уровне 100 делений. На этом уровне наблюдается протекание по трубке смеси. После протекания смеси по трубке сигнал возвращается к начальным значениям. При заданных условиях опыта авария не регистрируется.

При содержании примеси 70 %, соотношение водопроводной воды и подсолнечного масла 1 к 2, уровень сигнала заметно отличается от уровня сигнала водопроводной воды, и содержания примеси 30 % и 40 % (рисунок 19).

Рисунок 19 - Вид окна настроек при пропускании по гидросистеме воды с примесью

масла в пропорции 1:2

 

Для проведения данного опыта смешана вода с растительным маслом в пропорциях 1 к 2. На диаграмме видно, что до момента протекания смеси по трубке значение сигнала установлено на уровне 140 делений. Настройки прибора аналогичны настройкам предыдущего опыта. В момент начала прохождения жидкости происходит снижение уровня сигнала, обусловленное неровностями и неоднородностями переднего фронта смеси и влияющего на оптическую плотность, после чего сигнал на некоторое время стабилизируется на уровне 80 делений. Затем происходит еще один скачок, означающий конец прохождения жидкости. Сигнал после прохождения смеси по времени меньше, чем у переднего фронта, что говорит об увеличении скорости протекания жидкости.

На основании обработки и анализа кривых изменения оптической плотности водных сред [23 - 26] установлено, что лабораторная установка контроля изменений оптической плотности водных сред наглядно в режиме реального времени регистрирует изменение оптических свойств смеси веществ, протекающей по гидросистеме установки. Проведенные экспериментальные исследования показали возможность автоматического контроля изменений оптической плотности жидкости в большом динамическом диапазоне.

Установка эффективна при содержании подсолнечного масла в смеси более 50 %. Для повышения точности и снижения порога чувствительности рекомендуется применить пару источник излучения – фотоприемник излучения с длинами волн с учетом спектров поглощения жидкостей, используемых в экспериментах. На графиках изображены спектры поглощения воды (рисунок 20) [ 27 ] и подсолнечного масла и его смеси (рисунки 21 – 23), полученные в результате проведенных в рамках данной темы экспериментов.

Рисунок 20 - Спектр поглощения воды

 

Значения оптической плотности подсолнечного масла для различных длин волн получены на однолучевом спектрофотометре КФК-ЗКМ в спектральном диапазоне длин волн 340…1000 нм. Приведены значения оптической плотности воды с примесью подсолнечного масла в пропорции 1:1. Рисунки 22 и 23 отображают значения оптической плотности в диапазоне длин волн, полученные при движении от минимального значения длины волны к максимальному, и от максимального значения к минимальному соответственно.

Рисунок 21 – Изменение оптической плотности подсолнечного масла от длины волны излучения

 

Рисунок 22 - Изменение оптической плотности воды с примесью подсолнечного масла в пропорции 1:1 от длины волны излучения

 

 

Рисунок 23 - Изменение оптической плотности воды с примесью подсолнечного масла в пропорции 1:1 от длины волны излучения

 

Согласно рисунку 20, наименьшее поглощение излучения водной средой наблюдается в интервале 400…600 нм. На основании анализа полученных значений оптической плотности водных сред рекомендуется применить пару источник излучения – фотоприемник излучения с длинами волн в диапазоне 450…550 нм, которым соответствует минимальное поглощение в водной среде и максимальное поглощение в среде примеси. В качестве фотоприемника рекомендуется использовать фотодиод типа PDV-V400-46, а в качестве источника излучения - BL-FL7660PGC с длиной волны 525 нм.

В результате обработки кривых изменения оптической плотности водных сред установлена полная пригодность и устойчивая работоспособность разработанной лабораторной установки контроля изменений оптической плотности водных сред для решения поставленных задач, связанных с выбором режимов и отработке технологии контроля аварийных выбросов в сточных водах промышленных предприятий.

Аппаратная часть и программное обеспечение универсальны, согласованы по протоколам обмена данными и полностью адаптированы между собой.

Оптический тракт защищен от помех, позволяет обнаруживать наличие смеси и, соответственно, контролировать аварийные выбросы в сточных водах. Разработанная установка позволяет уверенно контролировать смесь с содержанием подсолнечного масла свыше 50 %. Для повышения чувствительности и снижения порога срабатывания необходима замена источника и приемника оптического излучения.

Уровень настроек и регулировок лабораторной установки полон и достаточен для учета и компенсации начальных условий, индивидуальных особенностей, погрешностей и помех водных сред и смесей.