ПРИБОРЫ ДЛЯ КОМПЛЕКСНЫХ АНАЛИЗОВ ВОДЫ

12.1 Анализатор качества воды АКВ-1

Для мониторинга водных объектов и технических измерений показателей качества воды в системах водоподготовки существует необходимость в создании и использовании приборов и устройств для быстрого, надежного и, по возможности, непрерывного автоматического контроля определенных наборов характеристик качества воды. С этой целью в Вологодском государственном техническом университете разработаны два прибора – анализаторы качества воды: АКВ-1 и АКВ- 2. Прибор АКВ-1 [49] позволяет выполнить анализ одной и той же пробы в автоматическом режиме по мутности, электропроводности, электрофоретической подвижности и определить дзета-потенциал взвеси, ускоряет процесс анализа и повышает его точность. На рис. 37 приведена общая схема устройства прибора.

Рис. 37. Схема анализатора качества воды АКВ-1

АКВ-1 состоит из измерительной кюветы 1, электромагнитного клапана 2 на трубе подачи воды, датчика заполнения измерительной кюветы 3 на переливной трубе, электромагнитного клапана 4 на выходной трубке, двух фотоприемников 5, расположенных на внутренней вертикальной стенке кюветы. Кроме того, устройство содержит стержень 6 со щетками 7, прикрепленный к поплавку 8, источник света 9, гидротурбинку 10, ось которой прикреплена к металлической планке 11 со щетками 12, фотоприемник 13, электромагнит 14, термометр сопротивления 15, расположенный в зазоре между внутренней 16 и наружной 17 стенками измерительной кюветы, кольцевых электродов 18, релейного блока 19, блока управления 20, блока нормирующих преобразователей 21 и устройства индикации 22.

Устройство работает следующим образом: перед началом измерения по сигналу блока управления 20 включается источник света 9, такое включение осуществляется заранее для того, чтобы сила света этого источника стабилизировалась. Затем включается электромагнит 14, что позволяет установить металлическую планку 11 со щетками 12 в таком положении, при котором они не перекрывают световой поток, поступающий на фотоприемник 13. Открывается электромагнитный клапан 2 на трубе, подающей воду в измерительную кювету 1, и закрывается электромагнитный клапан 4 на выпускной трубе. При заполнении кюветы 1 водой избыток воды переливается по переливной трубе, на которой установлен датчик заполнения измерительной кюветы 3. По сигналу датчика заполнения 3, поступающему в блок управления 20, через блок 21 закрывается электромагнитный клапан 2.

После истечения промежутка времени, заданного в блоке управления 20, проводится седиментационный анализ в двух режимах: 1 - без создания однородного электрического поля, 2 - при созданном однородном электрическом поле. Седиментационный анализ в 1 режиме выполняется следующим образом. Включаются фотоприемники 5, фиксирующие свет, отраженный частицами взвеси, фотоприемник 13, фиксирующий световой поток, прошедший анализируемую среду. Сигналы от всех фотоприемников поступают в блок нормирующих преобразователей 21. Через заданный промежуток времени по сигналу с блока управления 20 фотоприемники 13 и 5 производят повторное измерение. Сигнал также поступает в блок нормирующих преобразователей 21.

Далее, через заданный промежуток времени, проводится седиментационный анализ во 2 режиме: между электродами 18 создается однородное (постоянное) электрическое поле и выполняются аналогичные операции седиментационного анализа.

После истечения промежутка времени, заданного в блоке управления 20, по сигналу с блока управления 20 включаются фотоприемники 5, фиксирующие свет, отраженный частицами взвеси, фотоприемник 13, фиксирующий световой поток, прошедший анализируемую среду. Сигналы от всех фотоприемников поступают в блок нормирующих преобразователей 21. Через второй заданный промежуток времени, по сигналу с блока управления 20 фотоприемники 13 и 5 производит повторное измерение. Сигнал также поступает в блок нормирующих преобразователей 21. Устройство индикации 22 фиксирует полученные результаты.

Разность концентраций в верхней и нижней частях измерительной кюветы равна:

К=М₂-М₁мг/л,

где М₁ М₂ - концентрации взвешенных частиц, находящихся в верхней и нижней частях измерительной кюветы.

Гидравлическая крупность частиц, соответствующая К, равна:

U>(1₂-1₁)/t,мм/с,

где 1_1, 1₂ - расстояние от поверхности жидкости до фотоприемников соответственно. 1; - время.

Кривая седиментации представляет собой кривую зависимости К/М=f(U), где М - концентрация взвешенных частиц в жидкой среде, находящейся в измерительной кювете.

Полученные параметры позволяют построить две кривые седиментации К/М= f(U): 1 - без воздействия однородного электрического поля, 2 - в однородном электрическом поле. По этим кривым определяется электрофоретическая подвижность частиц взвеси в исследуемой воде. Для этого необходимо выбрать определенное значение К/М, которое можно ввести в качестве стандартного. Затем из графиков определяются значениеz U для первого и второго случаев. После этого производится обработка результатов седиментационного анализа для определения электрофоретической подвижности:

U_2у=U₂+U_эфп.

где U₂,U₁- гидравлическая крупность части взвеси, U_2у - условная гидравлическая крупность частиц взвеси, U_эфп. - электрофоретическая скорость оседания частиц взвеси.

Условной гидравлической крупность названа потому, что она состоит из двух составляющих - действительной гидравлической крупности U₂и электрофоретической скорости движения частиц U_эфп. Так как оба измерения проходят в одной и той же пробе воды, то можно считать:

U₂=U₁

Следовательно, электрофоторетическая скорость движения частиц взвеси в воде равна:

U_эфп.=U_2у-U₁

После проведения измерений по команде блока управления 20 отключается источник постоянного света 9 и производится замер температуры термометром сопротивления 15. В блоке управления 20 определяется вязкость в зависимости от температуры по зависимости, заложенной в память устройства.

Измерение удельного сопротивления осуществляется также по команде блока управления 20. Для этого между кольцевыми электродами 18 создается однородное электрическое поле. Сопротивление вычисляется в блоке 20, где преобразуется в удельную электропроводность. Величину удельной электропроводности воды определяют по уравнению:

к=1/S(1/R),

где: 1- расстояние между электродами;

S- площадь электродов;

R - сопротивление воды.

Величина дзета-потенциала частиц определяется из уравнения Гельмгольца-Смолуховского:

z=рhw/е_ое_а,

где е_о-электрическая постоянная дисперсной среды,

е_а - абсолютная диэлектрическая проницаемость,

h - коэффициент вязкости,

w - электрофоретическая подвижность дисперсной фазы.

Для ускорения и облегчения вычисления дзета-потенциала частиц взвеси в воде, уравнение применительно к исследованию водных суспензий было приведено к виду:

z=1,4^•10⁵hw,

где h - динамическая вязкость воды.

После проведения всех измерений по команде с блока управления 20 включается электромагнит 14, открывается клапан 4. При этом цилиндр опорожняется, а с опусканием уровня воды в цилиндре 1 опускается поплавок 8 с очищающим стержнем 6. При этом щетки 7 очищают от загрязнений стекла фотоприемников 5. Кроме того, в процессе опорожнения цилиндра 1 вращается гидротурбинка 10 и прикрепленные к ней щетки очищают стекло фотоприемника 13. Для качественной промывки измерительной кюветы предусматривается неоднократный впуск и выпуск воды без проведения измерений. Для этого в блоке управления 20 задается соответствующая уставка. После опорожнения кюветы 1 следующий цикл операций по анализу воды повторяется через заданный промежуток времени.

12.2 Анализатор качества воды АКВ-2

Устройство АКВ-2 [50] позволяет выполнить анализ одной и той же пробы воды в автоматическом режиме по следующим характеристикам:

мутности, цветности, температуре, результатам седиментационного анализа, электропроводности, вязкости, электрофоретической подвижности,

дзета-потенциалу частиц взвеси, химической потребности в кислороде, содержанию хлора, водородному показателю и редокс-потенциалу, обладает функциональными возможностями выбора режимов и обеспечения необходимой точности измерений в соответствии с требуемыми технологическим регламентом.

На рис. 38 представлена общая схема устройства для анализа воды; на рис.39 и 40 – схемы расположения цилиндров и комбинированных электродов в плане и вертикальных разрезах.

Рис. 38. Общая схема устройства для анализа воды АКВ - 2

Рис.39. Схема расположения цилиндров и комбинированных электродов в плане

Рис.40. Схемы расположения цилиндров и комбинированных электродов в разрезах.

Устройство для анализа воды состоит из цилиндрического корпуса 1, внутри которого расположенны измерительные цилиндры 2, 3 и 4, причем корпус и цилиндры выполнены из электронепроводящего материала, а стенки и дно цилидра 3 – прозрачные; в стенки цилиндра 3 встроены, в трех уровнях, фотоприемники 5, регистрирующие рассеянный частицами свет в направлении, перпендикулярном движению оседающих частиц, а в дно этого цилиндра встроен фотоприемник 6 для регистрации светового потока в направлении оседания частиц.

Устройство также содержит электромагнитные клапаны 7 и 8, соответственно на трубах подачи 9 и отвода воды 10; два электрода 11 и 11^׳, расположенные в верхней и нижней частях цилиндра 2 для создания постоянного электрического поля; три электрода: измерительный 12 из графита, сравнительный 13 из меди и вспомогательный 14 из нержавеющей стали, расположенные в пространстве между стенками корпуса 1 и цилиндров 2 и 4; комбинированный рН-электрод 15, расположенный в пространстве между стенками корпуса 1 и цилиндров 2 и 3, комбинированный редокс-электрод 16, расположенный в пространстве между стенками корпуса 1 и цилиндров 3 и 4; источник света 17; набор из пяти светофильтров 18 для создания света с длинами волн 380, 400, 410, 500 и 800 нм; две чашечки 19, являющихся чувствительными элементами высокоточных весов, расположенные в нижних частях цилиндров 2 и 4; термометр сопротивления 20; датчик наполнения 21; блок управления 22; энергонезависимую память 23; передатчик 24 и источник постоянного тока 25. Все измерительные цилиндры имеют крышки с перфорацией 26, через которые происходит их равномерное заполнение водой.

Для отвода воды из цилиндров 2, 3 и 4 в трубу 10 предусмотрен набор

трубок 27.

В соответствии с технологическим регламентом устройства до начала его эксплуатации в блок управления вводятся следующие уставки:

- выбор режима измерений;

- интервал времени между циклами измерений;

- градуировочные характеристики, установленные для водных растворов платино-кобальтовой шкалы цветности и хром-кобальтовой шкалы цветности [51];

- константа сосуда для цилиндра 2 и температурные поправки [49].

Уставка «выбор режима измерений» предусматривает возможность установки режимов по отдельным показателям качества воды, комплексных режимов и полного режима.

К режимам по отдельным показателям относятся: определение мутности воды оптическим методом; седиментационный анализ с определением мутности оптическим методом; определение химической потребности в кислороде; определение рН; определение содержания хлора; определение температуры; определение электропроводности; определение цветности фотометрическим методом по платино-кобальтовой шкале; определение цветности фотометрическим методом по хром-кобальтовой шкале.

К комплексным режимам, например, относятся: определение температуры – вязкости - электрофоретической подвижности – седиментационный анализ – вычисление дзета-потенциала; определение цветности двумя способами.

Имеется также возможность выбора комплексных режимов по наборам отдельных показателей.

Полный режим измерений предусматривает определение всех двенадцати показателей качества воды с использованием «дублирующих» способов по определению мутности, цветности и седиментационному анализу.

Устройство работает следующим образом:

По сигналу блока управления 22 открывается клапан 7 на трубе подачи воды, начинает заполняться корпус 1. Когда вода поднимается на высоту измерительных цилиндров 2, 3 и 4, начинается их заполнение через крышки с перфорацией. После заполнения измерительных цилиндров 2, 3 и 4 вода поднимается выше в корпусе 1 и достигает датчика наполнения 21, по сигналу которого блок управления обеспечивает закрытие электромагнитного клапана 7. Подача воды прекращается. Таким образом, в корпусе и измерительных цилиндрах устанавливаются стационарные объемы воды.

При полном режиме измерений по сигналу блока управления 22 включается источник света 17, такое включение осуществляется заранее, чтобы сила света данного источника стабилизировалась. Одновременно начинаются измерения во всех трех цилиндрах. При помощи термометра сопротивления 20 измеряется температура пробы воды. По величине температуры блок управления 22 определяет динамическую вязкость воды [52] по формуле:

, П,

где t – температура воды, С˚.

Полученные данные блок управления 22 отправляет в энергонезависимую память 23. В цилиндре 2 при помощи электродов 11 создается постоянное электрическое поле, одновременно с включением электродов 11 в блоке управления 22 включается таймер.

Под цилиндрами 2 и 4 весы измеряют массу оседающих на соответствующие чашечки частиц, эти данные непрерывно поступают в блок 22, который фиксирует изменение массы во времени и по заранее заданному алгоритму строит седиментационные кривые I и II [43]. Под действием постоянного электрического поля частицы в цилиндре 2 оседают быстрее, чем в цилиндре 4, следовательно, кривая I «выпрямляется» раньше, чем кривая II. После ее выпрямления блок 22 выключает таймер.

По данным весов 19 в цилиндре 2 определяется мутность. Данные о седиментационных кривых и мутности записываются в энергонезависимой памяти. Сравнивая две полученные седиментационные кривые, блок 22 по заранее заданному алгоритму определяет электрофоретическую подвижность и дзета-потенциал . Эти два показателя сохраняются в энергонезависимой памяти 23 устройства. На этом измерения в двух цилиндрах 2 и 4 окончены. После выключения таймера в блоке 22 определяется удельное сопротивление и вычисляется электропроводность воды по методике, приведенной в [49]. Одновременно с началом измерений в цилиндрах 2 и 4 в цилиндре 3 начинается измерение химической потребности в кислороде (ХПК) [53].

Через светофильтр проходит свет с длиной волны 400 нм, фотоприемник фиксирует силу этого света, прошедшего через пробу. Свет выключается, происходит смена светофильтра с 400 нм на 500 нм. Измерения повторяются при данной длине волны. Затем светофильтр меняется с 500 нм на 800 нм. Измерения повторяются. По трем измерениям фотоприемника определяется показатель поглощения света при разных длинах волн, по этим данным блок 22 вычисляет ХПК. Затем в этом же цилиндре начинается измерение цветности с использованием светофильтров на 380 и 410 нм [51].

Одновременно в цилиндре-корпусе 1 начинается измерение рН [54],а затем редокс-потенциала [55] при помощи комбинированных рН- и редокс -электродов [56]. После этого производится измерение остаточного хлора при помощи измерительного, сравнительного и вспомогательного электродов, расположенных в цилиндре-корпусе 1 [52].

Между измерительным электродом 12 из графита и вспомогательным электродом 14 из нержавеющей стали подается постоянное напряжение таким образом, чтобы потенциал измерительного электрода 12 из графита относительно сравнительного электрода 13 из меди был в пределах от +150 до -200 мВ (при концентрации хлора в воде от 0 до 5 мг/л ). При таких условиях величина тока, протекающего между электродами измерительным 12 и вспомогательным 14, прямо пропорционально зависит от концентрации остаточного хлора в воде.

Полученные данные по ХПК, цветности, редокс-потенциалу, рН и остаточному хлору сохраняются в энергонезависимой памяти.

Блок управления 22, считывая из памяти все полученные данные, отправляет их с помощью передатчика на заранее заданное внешнее устройство (например, компьютер).

По сигналу блока управления 22 открывается электромагнитный клапан 8 на трубе отвода воды 10 и происходит опорожнение всех цилиндров. Затем клапан 8 закрывается.

По сравнению с ранее известными, данное устройство обладает следующими преимуществами:

- расширяется набор показателей, характеризующих качество природной и очищаемой воды;

- расширяются функциональные возможности устройства, обеспечивающие широкий выбор режимов измерений и необходимую точность.

Дата добавления: 2014-10-02; просмотров: 441; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!