На Земле запасы воды составляют 1386 миллионов кубических километров, 35 миллионов кубических километров, из которых являются пресной водой (около 2,5%). Около 3900 миллиардов кубических метров пресной воды ежегодно потребляется в мире, в месте с тем примерно половина данного объема используется безвозвратно, а другая половина превращается в сточные воды [1]. Установлен факт ежегодного мирового сброса свыше 420 кубических километров сточных вод [2, 3].
Для того, чтобы сократить потребление природной воды разрабатываются меры, предусматривающие очистку сточной воды, ее повторное, использование охлаждение оборотной воды и т.п.
Сточные воды существенно загрязнены такими веществами как: нефтепродуктами, биогенными соединениями, неорганическими солями, токсичными веществами, различными примесями, оставшимися от промышленных производств и многими другими [4]. Необходимо проводить постоянный анализ загрязнения стоков воды промышленной зоны на содержание сульфатов, хлоридов, радиоактивных элементов, нитратов, токсичных металлов, бактерий и прочих загрязнителей, который позволит оценить степень ее загрязнения и возможность дальнейшего повторного применения или в технических целях [5, 6].
Особое место среди различных способов анализа широкое применение получили оптические методы, например такие как: а) турбидиметрия (метод, основанный на измерении количества света, поглощаемого мутными растворами); б) метод анализа по спектрам комбинационного рассеяния света (основанный на изучении явления рассеивания световых лучей); в) нефелометрия (анализ вещества по интенсивности светового потока, основанный на использовании явлений отражения или рассеивания света частицами, взвешенными в растворе); г) люминесцентный/флуоресцентный анализ (основанный на флуоресценции веществ, облученных ультрафиолетовым светом, и измерении интенсивности излучаемого ими видимого света) и т.п. [7, 8].
Наибольшее распространение среди оптических методов получили рефрактометрические способы определения качества или состава жидкости по коэффициентам преломления [9-12]. В частности, нашел широкое применение рефрактометрический метод, который основан на прохождении света через две призмы, между которыми помещаются капли исследуемой жидкости. Коэффициент преломления при этом определяется по границе раздела света и тени, наблюдаемой в зрительной трубе [9]. Но при измерении предельного угла по границе света и тени данным способом, возникает недостаточно четкая картина для высокоточных измерений, приводя к погрешности определения коэффициента преломления.
Применяется так же рефрактометрический анализ определения коэффициента преломления жидкости, который основан на использовании зависимости показателя преломления бинарной смеси, включающую растворитель и исследуемый компонент. Данную смесь заливают в тонкостенную призматическую кювету или в призматическую выемку в материале с известным коэффициентом преломления. И далее искомый коэффициент преломления определяется по углу отклонения луча [10].
Дороговизна устройства из-за изготовления призматической кюветы со строгими геометрическими параметрами; значительное время проведения измерений из-за необходимости размещения жидкости в призмах; малая чувствительность и низкая точность измерения – все это недостатки данных методов исследования жидкостной среды.
Существует метод измерения показателя преломления, основанный на явлении ПВО на плоскости соприкосновения оптического элемента с исследуемым веществом [11]. В данном случае измерения предельного угла проводится по границе света и тени, и которая из-за ее нечеткости приводит к погрешностям определения коэффициента преломления.
Большую известность приобрел волоконно-оптический рефрактометр, основным элементом которого является погружной зонд. Световой поток от светодиода передается на входную грань рабочей призмы полного внутреннего отражения через осветительный волоконно-оптический жгут. Отраженный поток через объектив и волоконно-оптический жгут передается на линейку ПЗС, где формируется граница «свет-тень» на рабочей грани оптической призмы, контактирующей с исследуемым раствором [12, 13].
Данное устройство не лишено недостатков: а) большие размеры, включая призмы, требуют большего объема исследуемой жидкости; б) низкая технологическая конструкции устройства в виду того, что для обеспечения точности измерения, углы призмы должны быть изготовлены с высокой точностью, ее грани должны быть отполированы с допуском, не превышающим четверть длины волны источника излучения; в) возникновение аддитивных погрешностей, обусловленных отклонениям светового потока из-за неточной юстировки оптической системы, а относительную площадь тени вычисляют по отношению незасвеченных светочувствительных элементов ПЗС-матрицы к их общему числу; г) использование нескольких волокон, жгута волокон, удорожает конструкцию.
В связи с вышесказанным необходимы новые подходы для определения качества или состава сточных вод с помощью рефрактометрических измерительных преобразователей, в которых должны быть устранены перечисленные недостатки.
Цель работы – разработка простых высокоточных волоконно-оптических измерительных преобразователей для проведения анализа качества или состава водных сред.
Методы и подходы
Для достижения поставленной цели в работе [14] предложен рефрактометрический волоконно-оптический измерительный преобразователь, реализующий новый рефрактометрический способ преобразования оптических сигналов и обеспечивающий измерение показателей преломления жидкостей, качество которых определяется.
Результаты исследования
Разработана простая конструкция волоконно-оптического измерительного преобразователя (ВОИП), реализующего новый рефрактометрического способ (рисунок 1).
ВОИП содержит прозрачную цилиндрическую трубку 1 с жидкостью 2. Трубка с жидкостью крепится в корпусе 3, в котором с некоторым зазором l1 относительно нее расположены подводящее оптическое волокно 4 и с некоторым зазором l2 – отводящие оптические волокна 5 и 6. Причем оптическая ось подводящего оптического волокна 4 перпендикулярна продольной оси трубки 1. Оптические оси отводящих оптических волокон 5 и 6 расположены коаксиально оптической оси подводящего оптического волокна 4.
Приемный торец подводящего оптического волокна 4 состыкован с источником излучения – например, светодиодом (на рисунке не показан) [15]. Излучающие торцы отводящих оптических волокон 5 и 6 состыкованы с приемниками излучения – например, фотодиодами (на рисунке не показаны).
Внешний и внутренний лучи света на выходе из излучающего торца подводящего оптического волокна 4 направляются на трубку с жидкостью. Лучи света падают на поверхность трубки 1 под углами α1 и α2 (рисунок 2).
Рис. 1. Упрощенная конструкция волоконно-оптического измерительного преобразователя, реализующего новый рефрактометрического способ
Рис. 2. Преобразования светового потока на границах сред волоконно-оптического измерительного преобразователя (на входе в трубку)
Рис. 3. Преобразования светового потока на границах сред волоконно-оптического измерительного преобразователя (на выходе из трубки)
На рисунке 2 показан один крайний луч, второй луч на выходе из подводящего оптического волокна идет ему параллельно. В соответствии с законом Снеллиуса эти лучи преломляются (точка А), так как коэффициенты преломления материала трубки 1 и жидкости 2 различны. Далее под углами β1 и β2 преломленные лучи проходят через материал трубки и падают на внутреннюю поверхность трубки 1 под углами γ1 и γ2 (точка В). Так как материал трубки более плотный, то его коэффициент преобразования n2 больше, чем коэффициент преломления воздуха (или другого газа) n1, расположенного между торцом подводящего оптического волокна и трубкой 1. На входе в жидкость лучи света лучи преломляются под углами δ1 и δ2, проходят через жидкость 2, вторично падают на противоположную внутреннюю поверхность трубки 1 под углами δ1 и δ2 (точка В) (рисунок 3).
Здесь преломляются и под углами ε1 и ε2, поступают на вторую внешнюю поверхность трубки 1 под углами φ1 и φ2 (точка А1), далее преломляются на противоположной внешней поверхности трубки под углами ψ1 и ψ2. На выходе из трубки лучи идут в направлении отводящих оптических волокон 6 и 7 и поступают на их приемные торцы под углами Θвх1 и Θвх2 соответственно.
Верхняя часть светового потока поступает по верхнему отводящему оптическому волокну 5 на первый приемник излучения. На второй приемник излучения поступает нижняя часть светового потока по нижнему отводящему оптическому волокну 6. На приемниках излучения оптические сигналы преобразуются в электрические сигналы. Изображение излучающего торца подводящего оптического волокна 5 в плоскости, где расположены приемные торцы отводящих оптических волокон 6 и 7, меняет свой контур и, соответственно, площадь, при изменении показателя преломления жидкости.
По изменению сигналов с выхода приемников излучения определяют коэффициент преломления жидкости n3 по формуле: n3=k0n0, где k0 – коэффициент пропорциональности, равный отношению уровня сигнала с выхода одного из приемников излучения при наличии в трубке калибровочной жидкости (например, дистиллированной воды) к уровню сигнала того же приемника излучения при наличии в трубке сточной воды с измеряемым коэффициентом преломления n3.
Параметры преобразователя связаны выражениями [13]:
, (1)
где ψ = f(n1, n2, n3 r1, r2, l1), где n1, n2, n3 – коэффициенты преломления среды между оптическими волокнами и внешней поверхностью трубки, материала трубки, жидкости внутри трубки; r1, r2 – внешний и внутренний радиусы трубки.
Применение двух отводящих оптических волокон позволяет реализовать двухканальное преобразование оптических сигналов, что снижает дополнительные погрешности от воздействия внешних влияющих факторов (например, от изгибов оптических волокон, изменения мощности источника излучения при изменении температуры и пр.) [14].
Предлагаемый ВОИП, реализующий новый рефрактометрический способ преобразования сигналов, позволяет повысить чувствительность преобразования оптических сигналов за счет снижения потерь светового потока в микрометрическом оптическом тракте; повысить точность измерения показателя преломления; упростить конструкцию и повысить технологичность оптической системы преобразователя.
Научная значимость работы состоит в:
- повышении достоверности диагностики качества жидкостных сред, как природного, так и техногенного происхождения, за счет использования оптических диагностических признаков – изменения показателя преломления жидкости относительно стандартных образцов конкретного типа жидкости, которые невозможно точно и быстро определить известными средствами измерений;
- определении физико-технических и оптических закономерностей функционирования волоконно-оптических микросистем и базовых ВОИП, основных элементов систем анализа, диагностики и мониторинга качества жидкостных сред.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-29-10017.