Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для определения пропускания ультрафиолетового излучения в водных средах

Изобретение относится к охране окружающей среды, а именно к области обеззараживания питьевых, промышленных и бытовых сточных вод, а также поверхностных водоисточников ультрафиолетовым (УФ) облучением в централизованных и нецентрализованных системах коммунального водоснабжения, водоподготовки пищевых и лекарственных производств, оборотного водоснабжения, бассейнов, очистных сооружений и т.п., и может быть использовано в процессе обработки водных сред, в том числе, в протоке.

Снабжение населения питьевой водой высокого качества, а также требования, предъявляемые к сбросу производственных и бытовых сточных вод, во все времена являлись и являются весьма актуальными. В системах очистки и обработки водных сред часто используют прием обеззараживания с использованием ультрафиолетовых ламп. Эффективность обеззараживания водной среды при помощи УФ-излучения зависит как от интенсивности УФ-излучения, так и от загрязнений, содержащихся в обрабатываемой среде и снижающих глубину проникновения в нее УФ-излучения. Поскольку концентрация загрязнений может непрерывно изменяться во времени, то для объективного контроля процесса обеззараживания, необходимо непрерывное и достоверное определение пропускания УФ-излучения обрабатываемой водной средой, что особо актуально для использования в системах с автоматическим регулированием интенсивности УФ-излучения.

В системах с автоматическим регулированием интенсивности УФ-излучения недостоверность и прерывистость процесса измерения пропускания УФ-излучения водной средой могут стать причиной скачков интенсивности ультрафиолетовых ламп, приводящей к сокращению срока их службы, дополнительному расходу электроэнергии, или, наоборот, к недостаточной эффективности процесса обеззараживания, "проскоку" через установку загрязненной воды.

Известно устройство, предназначенное для постоянного определения пропускания УФ-излучения через поток обрабатываемой жидкости, в котором пропускание УФ-излучения определяется по измерению и оценке интенсивности источника УФ-излучения, в качестве которого может использоваться газоразрядная лампа в защитном чехле, прошедшего через обрабатываемую среду. Излучающая поверхность УФ-лампы частично находится в потоке обрабатываемой среды и частично в референтной среде или же на границе этих сред. Устройство содержит два датчика УФ-излучения, которые направлены на зоны одинаковой интенсивности излучения ультрафиолетовой лампы, причем один УФ-датчик размещен в потоке обрабатываемой среды, а другой - в референтной среде. Датчики могут располагаться как на равном, так и на различном расстоянии от источника УФ-излучения, Датчики соединены с устройством для измерения и оценки сигналов, снимаемых с обоих датчиков. Используемая референтная среда может быть такой же, как и обрабатываемая среда. При этом референтную среду герметично отделяют от обрабатываемой среды специальным уплотнением. Устройство снабжено системой очистки источника УФ-излучения и датчика, расположенного в обрабатываемой среде. Чистящие элементы источника УФ-излучения (лампы), предназначенные для очистки его чехла, выполнены в виде кольцевых сегментов и установлены на чехле лампы. Чистящие элементы датчика закреплены на сегментах. Устройство для очистки приводят в движение подъемным цилиндром, который перемещает его в крайнюю верхнюю и нижнюю позиции. / Патент US 6313468, G01N 21/33; G01N 21/85, 2001 г.)

Известное техническое решение не позволяет обеспечить достоверность полученных сведений о состоянии реальной обрабатываемой среды по следующим причинам:

- так как УФ-лучи по-разному преломляются в референтной среде и в обрабатываемой жидкости, особенно если референтной средой служит воздух или твердое вещество, то доля излучения, падающего на референтный датчик и датчик, находящийся в среде, будет иной, чем при измерении в одной среде;

- датчик референтной среды находится в иных условиях очистки, чем источник Уф-излучения и датчик, расположенный в обрабатываемой жидкости, поэтому существует вероятность загрязнения окна референтного датчика;

- датчики находятся в разных условиях старения и в разных температурных режимах;

- участки источника излучения, на которые направлены различные датчики, охлаждаются по-разному, что может приводить к неодинаковому изменению интенсивности лампы при изменении температуры рабочей или референтной среды;

- поскольку в устройстве не предусмотрен контроль за перемещением системы очистки, это может привести к тому, что, находясь в промежуточном положении, она может затенять источник излучения или окна датчиков.

К недостаткам устройства также можно отнести необходимость герметичной изоляции референтной среды от обрабатываемой среды для сохранения ее характеристик, что усложняет конструкцию в целом.

В современных системах с автоматическим регулированием интенсивности Уф-излучения недостоверность измерения пропускания обрабатываемой среды может повлиять на выбор несоответствующего для данной среды оборудования, а также в процессе обработки послужить причиной неоправданного изменения интенсивности УФ-ламп, что приведет к дополнительному расходу энергии при ее увеличении, или недостаточной эффективности процесса дезинфекции при ее снижении.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство, предназначенное для определения пропускания ультрафиолетового излучения в жидких средах, содержащее источник УФ-излучения, расположенные на разном расстоянии от источника излучения и направленные на участки источника излучения с одинаковой интенсивностью датчики УФ-излучения, электрически соединенные с блоком измерения и обработки сигнала, а также приспособление для очистки, содержащее чистящие элементы источника УФ-излучения и обоих датчиков УФ-излучения, установленное на источнике УФ-излучения с возможностью перемещения за счет соединения с пневмоцилиндром, на котором установлены датчики, фиксирующие крайние положения приспособления для очистки и служащие для его возврата в крайние положения после завершения очистки, при этом оба датчика УФ-излучения расположены непосредственно в жидкой среде. /Патент РФ №2308022, G01N 21/33; C02F 1/32, 2007 г./

Известное техническое решение не обеспечивает непрерывности, точности и достоверности полученных сведений о состоянии обрабатываемой среды по следующим причинам:

- используемые УФ-датчики не имеют средств ограничения боковой засветки фотоэлементов, т.е. не диафрагмированы, в поле зрения датчика попадает не только перпендикулярное излучение, проходящее через слой жидкости, величина, которая учитывается в расчетах, но и боковое излучение, снижающее точность измерений. Это особенно важно, при использовании устройства в многоламповых установках, где боковая засветка от других ламп вносит существенные искажения в измерения;

- используемая в устройстве система механической очистки требует остановки измерений на время процесса очистки и, следовательно, остановки всего процесса обеззараживания водной среды;

- при использовании механических систем очистки, в период между чистками происходит постепенное загрязнение линз УФ-датчиков, а также кварцевого чехла УФ-лампы, величина которого зависит от состава обрабатываемой водной среды, например ее жесткости, что вносит искажения в процесс измерения, поскольку процесс соляризации стекол не равномерен и зависит от многих факторов;

- используемая в устройстве система механической очистки счищает осадочный абразивный слой солей и тем постепенно разрушает, царапает поверхность кварцевого стекла чехла УФ-лампы и линз УФ-датчиков, существенно ухудшая оптическую прозрачность стекла что, в результате, снижает достоверность измерений и срок службы устройства в целом.

К недостаткам устройства также можно отнести сложность механической системы очистки, низкую надежность, необходимость дополнительных герметичных соединений, что усложняет конструкцию в целом.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается осуществлением изобретения, является создание универсального устройства для непрерывного определения интенсивности пропускания ультрафиолетового излучения в водных средах, содержащих любой состав загрязнений.

Технический результат от использования предложенного устройства заключается в повышении достоверности измерений пропускания ультрафиолетового излучения в процессе обеззараживания водных сред при одновременном упрощении конструкции.

Техническая проблема решается, а технический результат достигается за счет того, что устройство для определения пропускания ультрафиолетового излучения в водных средах содержит фланец, на котором герметично установлены два разной длины датчика ультрафиолетового излучения, каждый из которых состоит из корпуса, диафрагмированной линзы из кварцевого стекла и фотоэлемента ультрафиолетового светового спектра с контактами для подключения питания и вывода сигнала, и ультразвуковой излучатель с контактами питания, снабженный на конце изгибным волноводом, датчики ультрафиолетового излучения и ультразвуковой излучатель электрически соединены с блоком считывания и обработки сигналов датчиков ультрафиолетового излучения и питания датчиков ультрафиолетового излучения и ультразвукового излучателя, при этом в обоих датчиках ультрафиолетового излучения используют фотоэлементы с одинаковыми характеристиками.

Предпочтительно, что расстояние между датчиками ультрафиолетового излучения составляет 5-10 мм, а в качестве изгибного волновода используют стержень или пластину.

Изобретение поясняется чертежами.

Для большей наглядности соотношение между отдельными элементами устройства изменены.

На Фиг. 1 схематически изображено устройство для определения пропускания ультрафиолетового излучения в водных средах; на Фиг. 2 - вид устройства в плане; на Фиг. 3 - разрез по АА на Фиг. 1

Устройство для измерения интенсивности ультрафиолетового излучения в водных средах (Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3) состоит из фланца 1, на котором герметично закреплены разной длины УФ-датчики 2 и 3, состоящие соответственно из корпуса 4 и 5, диафрагмированной для исключения боковой засветки линзы для ввода УФ-излучения соответственно 6 и 7 и фотоэлементов соответственно 8 и 9 с контактами для подключения питания соответственно 10 и 11 и контактами для вывода сигнала соответственно 12 и 13. На фланце 1 также герметично закреплен ультразвуковой излучатель 14 с контактами питания 15 и расположенным на его конце изгибным волноводом 16, выполненным в виде стержня или пластины, длина которого кратна длине полуволны ультразвука. УФ-датчики 2 и 3 и ультразвуковой излучатель 14 посредством контактов питания 10,11 и 15 соответственно, а также контактов 12 и 13 для вывода сигналов от УФ-датчиков 2 и 3 электрически соединены с блоком 17 считывания и обработки сигналов УФ-датчиков 2 и 3 и питания УФ-датчиков 2 и 3 и ультразвукового излучателя 14.

Устройство работает следующим образом.

Устройство для измерения пропускания ультрафиолетового излучения в водных средах посредством фланца 1 крепят герметично на фланце любой емкости (на чертежах не показана), содержащей источник ультрафиолетового излучения в обрабатываемой водной среде, например, в фотохимический реактор с ультрафиолетовой лампой с кварцевым чехлом, при этом датчики УФ-излучения 2 и 3 и ультразвуковой излучатель 14 с изгибным волноводом 16 расположены непосредственно в обрабатываемой среде фотохимического реактора. Датчики УФ-излучения 2 и 3, имея различную длину, располагаются на различных расстояниях от источника ультрафиолетового излучения, а линзы из кварцевого стекла 6 и 7 диафрагмируют таким образом, чтобы поля зрения обоих фотоэлементов 8 и 9 были одинаковыми. Питание УФ-датчиков 2 и 3, а также ультразвукового излучателя 14 производят от блока 17 считывания и обработки сигналов УФ-датчиков и питания УФ-датчиков и ультразвукового излучателя через контакты питания УФ-датчиков 10, 11 и контакты питания ультразвукового излучателя 15 соответственно, а через контакты для вывода сигналов УФ-датчиков 12 и 13 на блок 17 подают сигналы от УФ-датчиков 2 и 3. На блок 17 поступают на обработку два сигнала.

Коэффициент пропускания УФ-излучения τ для слоя жидкости толщиной S определяют по формуле:

где I₀ - интенсивность излучения до прохождения слоя жидкости, а I - после.

Диафрагмирование линз УФ-датчиков существенно повышает точность и достоверность измерений пропускания ультрафиолетового излучения поскольку исключает паразитную боковую засветку фотоэлементов, вносящую неопределенность толщины слоя жидкости s, это особенно важно при использовании устройства в многоламповых установках обеззараживания воды.

Тогда для каждого из УФ-датчиков:

где s₁, s₂ - соответственно толщина слоя жидкости перед первым 2 и вторым 3 УФ-датчиками, и I₁, I₂ - интенсивности излучения для соответствующих датчиков.

Таким образом, получаем соотношение:

Подставляем значения толщин слоев жидкостей перед УФ-датчиками,

s₁=1 см s₂=2 см:

Отсюда получаем значение коэффициента пропускания:

Поскольку используют УФ-датчики 2 и 3 с одинаковыми по характеристикам фотоэлементами 8 и 9 соответственно, только расположенные на разном расстоянии от УФ-источника, правомерно использовать электрические выходные сигналы УФ-датчиков, пропорциональные интенсивностям УФ-излучения, например - выходные напряжения U₁ и U₂, соответственно:

Для очистки и предотвращения загрязнения кварцевого чехла источника УФ-излучения и кварцевых окон УФ-датчиков используют ультразвуковой излучатель. Ультразвуковое излучение при воздействии на обеззараживаемую воду вызывает в ней кавитацию, благодаря чему ультразвуковые колебания препятствуют биообрастанию, соляризации кварцевого чехла источника УФ-излучения, окон УФ-датчиков и внутренней поверхности корпуса фотохимического реактора, что снимает необходимость использования каких либо дополнительных систем очистки. Вместо механического приспособления для очистки кварцевого чехла источника УФ-излучения и стекол датчиков используют ультразвуковой излучатель, погруженный в обрабатываемую среду и предназначенный для кавитационной очистки и поддержания в чистоте кварцевого чехла источника УФ-излучения и кварцевых окон датчиков УФ-излучения. Этим обеспечиваются непрерывность, а также повышение достоверности определения пропускания ультрафиолетового излучения устройством

Таким образом, предложенное устройство позволяет повысить достоверность измерений пропускания ультрафиолетового излучения в процессе обеззараживания водных сред при одновременном упрощении его конструкции.