Устройство для измерения концентрации нефти в воде

СОЮа СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН АЗ В (80 ДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ГОС ЗОБРЕТЕН ИСА Н ПАТЕЙТУ/24-2588. Бюли-ИндаДэвидриг (О088.8)ФРГ 91/32,ШАР 381/00,ЕНИЯ КОНЦЕНТ сит ель иэ иэмере авлени е схемь остоит 535543,978.0695,974.(21, 268745 (22) 22.11. (46) 07.11. (71) Ай-Ти- (72) Джилли Норман Грег (53) 535.24 (56) Патент кл, С 01 ИПатент С кл, 0 01 Б У 41триз, Инк.(118)Питт и Стефен Ян 11 4 а 01 Н 21/59(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЩЩ НЕФТИ В ВОДЕ(57) Изобретение о ким методам измере использовано для и ции нети в воде. повышение точности автоматического уп содержит две входнь каждая из которых я к оптичесожет быть я концентраобретения " ний. Схема я усилением 1 17 и 18 нэ цифро1436893 аналогового преобразователя (ЦАП)и восьмиразрядного счетчика. Каждый ЦАП связан с триггером 21Входыустановки и сброса триггера связанысо схемой 20 задержки и компаратором24. Настройка схемы задержки осущест"вляется путем замыкания переключателя19 калибровки при необходимости калибровки схем. Один выход схемы задержки приводит в действие струйныйклапан для подачи в ячейку чистой воды. По истечении заданного периодавремени схема задержки отсекает потокчистой воды и выдает импульс сбросасчетчиков для установки триггера. Изобретение относится к областиоптических методов измерения и можетбыть использовано для измерения концентрации масла в воде с испольэованием рассеянного излучения,Цель изобретения - повышение точности измерений,На фиг.1 схематически показана вразобранном виде камера рассеянногоизлучения, используемая в устройстведля обнаружения и измерения концентра"ций масла; на фиг,2 - траектории излучения, проходящего через камеру; нафиг.З - частотная характеристика детектора; на фиг.4 - усилитель и компановка схем регулирования усилениядетекторного устройства; на фиг.5 -блок-схема цепи, изображенной нафиг.4. 20 Устройство монтируется вокруг,камеры рассеянного излучения, содержащей центральный кольцевой корпус 1, к которому через прокладки 2 крепятся патрубки 3, имеющие вид усеченного конуса. Световой луч, например, иэ лазера на арсениде галия (не показан) направляют через первое оптическое волокно 4 во входное отверстие 5 камеры и через выходные отверстия б ик волокнам 8 и 9, которые в свою очередь соединены с фотодетекторами. Изогнутая во внутрь камеры пластина 10 коллимирует световой При этом отпирается схема И, позволяяпоступающим от мультивибратора с двумя квазиустойчивыми состояниями импульсам синхронизировать счетчики.Выходной сигнал ЦАП схемы может растидо уровня 0,2 В, после чего компаратор изменяет состояние и перебрасывает триггер для прерывания поступления импульсов в счетчики. Таким образом, на логарифмическом усилителе 25постоянное напряжение "нуль нефти"После этого регулируется усиление канала рассеянного света вместе с усилением канала нерассеянного света.5 иле луч на входе в камеру с тем, чтобыуменьшить число ложных отражений,Световой луч (фиг.2), выходящийиз отверстия 5 и входящий во входноеотверстие б, детектируется как "пря-.мой" сигнал и к выходному отверстиюнаправляется под углом Ы к траектории светового луча.Схематически изображенные нафиг.З кривые показывают типичные ха"рактеристики для детекторов, соединенных с отверстиями б исоответственно. При наличии в воде капелек маслаинтенсивность прямого луча 11 в логарифмическом масштабе снижается,Рассеянное излучение 12 сначала усиливается и при более высоких уровняхконцентрации масла оно достигает максимума, а затем ослабевает,В предлагаемом устройстве этот максимум достигается при детектировании уровня концентрации, определяемого 300-400 ч. масла на 1 мпн.Выходное рассеянное излучениеменьше. подвержено влиянию давлениятвердых загрязняющих веществ, например ржавчины или песка, чем прямоевыходное излучение, Если, например,через систему пропустить 1000 ч. ржавчины на 1 млн. с размером частицыв 4 мкм, то прямой луч зарегистрируетвеличину, соответствующую 300 ч. намлн. в выходное рассеянное излучение зарегистрирует только 15 Д ч. на1436891 млн. Таким образом, использованиемвыходного рассеянного излучения дляопределения низких уровней концентрации масла и сведением тем самым кминимуму влияния песка и ржавчиныдостигают значительного преимущества.Чтобы охватить диапазон уровнейконцентрации масла, составляющий1000 ч, на 1 млн., необходимо создать 10такую схему, чтобы режим детектирования можйо было переключать с детектирования посредством прямого излучения на детектирование посредствомрассеянного излучения. Таким образом, 15используют линейное усиление выходно-го излучения, но когда поглощениесвета капельками масла оказываетсяинтенсивнее действия рассеянного излучения и выходное излучение достига Оет своего максимума, тогда осуществляют переключение на детектированиеросредством прямого излучения. Затухающий прямой луч линеаризуют, используя логарифмический усилитель, 25Обычно при способах, предусматривающих контактирование оптическихокон с содержащей масло водой, особенность измерений состоит в том,что окна загрязняются и потому требу- ЗОют изменения калибровки системы, Бтаких случаях осуществляют непрерывное контролирование сигнала, получаемого от прямого излучения, и этовыполняют с целью динамической компенсации сигнала, получаемого издетектора рассеянного излучения. Привысоких уровнях концентрации маслапредельное ослабление излучения ведетк получению большой степени нелинейности выходного сигнала. Изобретениесводит этот недостаток к минимумублагодаря использованию схемы автоматического регулирования усиления(АРУ)р которая функционирует тОлькО 45тогда, когда в системе содержитсячистая вода.Это можно продемонстрировать урав-.нением, определяющим спектральную поглощающую способность А жидкости,содержащейся в камере:1 оА=1 оя --- ,1,где 1 - входное излучение;1 - выходное излучение.Если значение 1 поддерживать постоянным, а значение А пропорциональным уровню. концентрации масла С тогда С - К 1 ОК 1/1где К - константа,Следовательно, для получения навыходе показаний степени концентрации масла сигнал прямого излучениянеобходимо подать на усилитель, имеющий логарифмическую характеристику.Кроме того, поскольку окна загрязняются, система усиления рассеянного излучения регулирует работу усилителейсигналов так, чтобы они обеспечивалиполучение одинаковых характеристикчувствительности.Устройство содержит фотодетекторы13 и 14 с усилителями, систему 15 авгтоматической регулировки усиления итвердотельный лазер 16 со связаннойс ним цепью синхронизации. Управлениецепью детекторов осуществляют с помощью системы автоматической регулировки усиления.Главными элементами системы АРУявляются две входные схемы 17 и 8,содержащие цифроаналоговые преобразователи и счетчики. Для этой целиможет использоваться интегральнаясхема типа 7 У 425 Е (выполненная фирмой "Ферранти лтд") с добавлением кней 8-битового счетного устройства.Выходной сигнал преобразователя опре"деляется формулой:3 п256где 0 - напряжение опорного исОПОН,точника;и - число импульсов (до 256) навходе счетного устройства.Когда требуется произвести калибровку схемы, переключатель 19 включают замыкая цепь 20 задержки, которая может быть представлена устройством Е 555, один выход которого соединяют с промывочным клапаном (не показан), осуществляющим подачу чистойводы в камеру. После промывки камерычистой водой, продолжавшейся в течение заданного периода времени, например в течение 3 мин, схема задержкизадерживает отключение подачи чистойводы и генерирование выходного импульса с целью переустановки счетчиков всхеме 18 и включения триггера 21,содержащего четырехвходовую логическую ячейку И. Это позволяет с помощью импульсов, выходящих из генератора 22 тактовой частоты, представленного автоколебательным мультивибратором, осуществлять синхрониза893 6 5 1436цию счетчиков схем 17 и 18. Напряжение выходного импульса схемы 17 повышают до 0,2 В и через буферный усилитель 23 подают на вход компаратора24 на операционном усилителе, который изменяет свое состояние, переключая триггер 21 и прерывая тем самымдальнейшую подачу импульсов в схемы, 17 и 18. При помощи этого средства 10через линейный усилитель 25 на логарифмический усилитель 26 подается,напряжение, соответствующее нулевомууровню концентрации масла,Усиление канала рассеянного излу, чения регулируется усилителем 27 срегулируемым порогом, на который поступает сигнал со схемы 18 через буферный усилитель 28 совместно с кана,лом прямого излучения. В случае, ког,да отверстия камеры загрязняются так,что напряжение входного сигнала прямого излучения составляет менее0,2 В, компаратор 24 не изменяет своего состояния и триггер 21 не переключается, но через выходной транзистор29 включается сигнальная лампочка.Управляющая схема, включающая усилители 30-32, управляет переключе нием диапазонов устройства через ме- З 0ханическое реле 33 при уровне концентрации масла около 200 ч. на 1 млн. Внекоторых случаях для переключения,диапазонов может быть применен твер дотельный переключатель, однако изза недостаточной надежности существующих устройств СМОБ и селективнойсложности переключателя, использующего обычные оперативные усилители,предпочтительным является использование механического реле, которомусвойственна высокая надежность.Проверка калибровки усилителя 27рассеянного излучения. не может бытьпроизведена, например, путем ввода 45в траекторию излучения фильтра, соответствующего заданному уровню кон"центрации масла. Это объясняется тем,что, в отличие от случая траекториипрямого сигнала ф сигнал ф Выходящий 50из детектора рассеяннбго излучениябудет нулевым, если в воде отсутствует масло, Следовательно, чтобы произвести проверку правильности калибровки системы, с помощью переключателя34 калибровки часть сигнала прямогоизлучения через схему 38 подают навход системы усиления рассеянного излучения. Результирующий выходной сигнал должен быть постоянным, если калибровка правильная.Выходы 35 и 36 усилителей сигналов прямого и рассеянного излучений соединены соответственно с переключаемыми контактами реле, выход которого связан с буферным выходным усилителем 37, питающим самопишущий прибор 39 илн индикатор (не показан).В некоторых случаях желательно, чтобы камера была снабжена еще одним выходным отверстием (не показано) с тем, чтобы излучение было рассеяно под углом большим, чем тот, который показан на фиг.2, Выходной сигнал дополнительного детектора, соединенного с упомянутым дополнительным выходным отверстием, сравнивают с сигналом детектора, принимающего излучение, рассеянное под углом юС . Таким образом достигают существенного уменьшения влияния твердых загрязняющих частиц.Предпочтительным источником излучения для детекторного устройства является лазер на арсениде галия, длина волны излучения которого лежит в области инфракрасного спектра вне пределов полосы поглощения воды, Этот лазер совместно с высокоскоростными кремниевыми фотодетекторами об-. разует очень стабильную систему с низким уровнем шума. Управление лазером может осуществляться отдельной системой, посредством которой излучение получают через, оптическое волокно отдельно из передней или задней части лазера и измеряют его с тем, чтобы получить сигнал, необходимый для усиления или ослабления входного излучения лазера, так как устройство с течением срока службы и из-эа температурных воздействий стареет. В корпусе лазера может быть установлена пластина кремниевого детектора для обеспечения управляющего сигнала. Формула изобретения Устройство для измерения концентрации нефти в воде, содержащее источник светового луча, камеры с одним оптическим окном для ввода светового луча и двумя выходными оптическими окнами, оптически связанными через30 световоды одно с приемником прямо прошедшего светового луча, другое - с приемником рассеянного светового луча, при этом приемники выполнены с воэможностью преобразования падающе.5 го светового луча в сигнал напряже-ния, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, в устройство введены две входные схемы, 1 О кажДая из которых состоит из цифроаналогового преобразователя и счетчика, имеющего и выходов, соединенных с п входами цифроаналогового преобра-, зователя, вход возврата в исходное состояние и вход тактовых импульсов, триггер с тремя входами и двумя выходами, три усилителя, компаратор, источник опорного напряжения, источник тактовых импульсов, схема задержки, переключатель калибровки, логарифмический усилитель, усилитель с регулируемым порогом, переключающее реле с тремя контактами, управляющая схема и выходной буферный усилитель, при 25 этом вход первой входной схемы соединен с выходом приемника прямо прошедшего светового луча, а вход второй - с выходом приемника рассеянного светового луча, первый выход триггера соединен с входами возврата в исходное состояние счетчиков входных схем,а второй выход - с входами тактовыхимпульсов этих счетчиков, вход первого усилителя соедикен с выходом первой входной схемы, первый вход компаратора - с выходом первого уСилителя, второй его вход - с источникомопорного напряжения, а выход - с первым входом триггера, второй и третийвходы которого соединены соответственно с источником тактовых импульсови выходом схемы задержки, вход которой соединен с переключателем калибровкй, вход второго усилителя соединен с выходом первого усилителя, авыход его - с входом логарифмического усилителя, вход третьего усилителя соединен с выходом второй входнойсхемы, а вьход его - с входом усилителя с регулируемым порогом, первыйконтакт переключающего реле оперативно соединен с выходом логарифмического усилителя, второй контакт - с выходом усилителя с регулируемым порогом, третий контакт - с входом выходного буферного усилителя, выходуправляющей схемы соединен с обмоткой переключающего реле.1436893 Составитель Ю.ГрнневаТекред М,Дндык Корректор Л.П Мотыль ед аз 5664/5 ираж 847 По но ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Рауаская наб., д, 4