Технические средства контроля и диагностирования технологических агрегатов при очистке промышленных сточных вод на основе оптоэлектронных и полых световодов

АННОТАЦИЯ

Оптико – электронные устройства на основе полых световодов весьма эффективны при контроле линейных и угловых перемещений, уровня жидкостей и других величин. Однако до сих пор вопросам выбора оптимальной структуры этих устройств и расчёту конструкций с оптимальными параметрами не уделялось достаточного внимания.

АBSTRACT

Optoelectronic devices based on hollow fibers are very effective in controlling linear and angular displacements, the level of liquids and other quantities. However, until now, the issues of choosing the optimal structure of these devices and calculating structures with optimal parameters have not been given sufficient attention.

Ключевые слова: Оптика, электронные устройства, световодов, оптимальные параметры.

Keywords: Optics, electronic devices, optical fibers, optimal parameters.

Сточные воды, образованные в процессе промышленной и хозяйственной деятельности человека, имеют вредные для природы примеси и должны быть очищены перед сбросом их в естественный водоем. Для этого строятся очистные сооружения, включающие в себя целый комплекс мероприятий по очистке отработанных вод

В данной работе предпринята попытка разработки методики проектирования рассматриваемых устройств на основе их графовых моделей. Известны работы [2, 3], в которых положения теории сигнальных графов успешно применялись к анализу и расчёту различных оптико – электронных устройств. Предлагаемая графовая модель отражает структурные свойства устройства, т. е. при таком представлении элементы реальной конструкции устройства и характеризующие их параметры отождествляются с ветвями и узлами графа

В общем случае для рассматриваемых устройств входной величиной Х_вх являются перемещение, концентрация, мутность, а выходной Х_вых – электрические величины: напряжения

U_{э вых,} ток I_{э вых.}

Рисунок 1. Физические модели оптико – электронных преобразователей перемещения (а), уровня (б) и концентрации (в), графовая модель (г)

На рис. 1, а –в приведены физические модели оптико – электронных преобразователей перемещения (а), уровня (б) и концентрации (в), а на рис. 1, г их графовая модель.

Рассматриваемые оптико – электронные устройства состоят из источника излучения (ИИ) – 1, основного неподвижного полого световода (ПС) – 2 приёмника излучения (ПИ) – 3 в виде фоторезистора. Принцип действия этих устройств основан на изменении распределения светового потока вдоль оси ПС под воздействием Х_вх. В устройстве, изображенном на рис. 1, а, при перемещении подвижного ПС (4) с коэффициентом отражения внутренней поверхности ρ₂ вдоль 2 с коэффициентом отражения ρ₁ (ρ₁< ρ₂), происходит изменение распределения светового потока и освещенности 3 [4]. В конструкции на рис. 1, б перемещение уровня жидкости 5 также вызывает изменение распределения светового потока вдоль световода и изменение освещенности 3. На рис. 1, в изменение концентрации жидкости (газа) Х_вх приводит к изменению распределения светового потока вдоль 2 и, следовательно, освещенности 3.

В оптико – электронных устройствах можно выделить цепи различной физической природы: электрические (цепи питания и измерения), оптические (цепь преобразования), механические (цепь входной величины), гидравлические (также входной величины) и др. в любой цепи можно выделить обобщенные величины воздействия (напряжения) U_i и реакции (скорости или тока) I_i, а также параметры сопртивления R_i, и проводимости G_i. Хотя вопросы аналогии величин и параметров достаточно полно рассмотрены в ряде работ [5,6], однако до настоящего времени недостаточно разработаны оптические аналоги напряжения и тока (потока).

Авторы на основе понятий геометрической оптики применительно к распределению светового потока вдоль полого световода использовали формальную аналогию [1], в которой в качестве электрического тока используется световой поток I_0, а напряжения — освещенность U_0. В общем случае в графовую модель оптоэлектронного устройства, отображающую принципы построения и преобрази оптико-электронных устройств (преобразователей), входит друга, исходящая из вершины Х_вх и входящая в вершину Х_вых. Этот граф (Х_вх, Х_вых) преобразуется в –искомый (рис. 1, г ) отображающий принципы построения и преобразования и позволяющий по строить функцию преобразования. На графовой модели (рис. 1, г ) цепь питания представлена подграфом U_э1, I_э1,  для которой весом дуги является произведение схемной (внутрицепной) функции Т_э1  и параметра П_э1. Далее ток  I_э1  в ИИ преобразуется в световой ток (поток)  I₀ (подграф I_э1, I₀). Функцией связи между цепями электрической и оптической природы является межцепная функция К I_э1 I_{0 ,} т.е. вес подграфа  I_э1, I_0. Цепь преобразования U₀ в Х_вых  отображена на графовой _модели (рис. 1, г).

Входная величина Х_вх согласно принципу действия воздействует на распределение I₀  вдоль ПС, что отопражается через воздействие Х_вх на Т₀П₀ и выражается через межцепную функцию. Кх_вых, т₀п_0, т. е. Т₀П₀=Кх_вх, т₀п₀Х_вх, а U₀=Кх_вх, т₀п₀· I₀ Х_вх. На основании данной графовой модели можно записать функцию преобразования в общей форме

Х_вых(U_вых)=Т_э2П_э2 U_э2Кu₀т_э3п_э3Кх_вхт₀п₀КI_э1I₀Т_э1П_э1U_э1Х_вх.                                       (1)

Графовая модель на рис. 1, г  и функция (1) дают общий, принцип построения и преобразования рассматриваемых уст­ройств. Возможно большое число вариантов как цепей воз­действия (Х_вх, Т₀П₀ или Х_вх, КI_э1I₀ и Х_вх, Кu₀т_э3п_э3), так и це­пей ИИ (I_э1, I₀) и ПИ С измерительной схемой (U₀, Х_вых). На основе конкретных требований и условий эксплуатации  необходимо выбрать оптимальный вариант технической реа­лизации указанных цепей и всей структуры устройства. При этом будут раскрыты всё схемные и межцепные функции, входящие в (1). Для выявления возможного множества, ва­риантов структуры устройства наиболее целесообразно раз­работать морфологическую матрицу (см. таблицу), в кото­рой по горизонтали будут представлены варианты техничес­ких реализаций отдельных подграфов (цепей), а по верти­кали типы цепей в структуре устройства.

Таблица.

Морфологическая матрица

Выбор той или иной технической реализации отдельных цепей и всей структуры устройства из ряда альтернативных вариантов может быть осуществлен на основе ранжировки вариантов технических реализаций по совокупности показа­телей основных характеристик: чувствительности (S), диа­пазона преобразований (Д), интенсивности отказов (τ), по­грешности (γ), постоянной времени (Т), стоимости (С).

Губительное действие неочищенных сточных вод на окружающий мир имеет комплексный характер. Часть примесей, обладающих большой летучестью (многие углеводороды и их производные), может легко испаряться, попадать в воздух.

Другие поступают со стоками в природные водоемы, вызывают отравление его обитателей. Остальные компоненты всасываются в почву, загрязняют грунт, затем подземные воды.

В конечном итоге токсины неизбежно попадают в организм человека, провоцируют заболевания. Единственная возможность избежать негативных последствий – очистка промышленных сточных вод.

точными называют воды, которые были в использовании или проходили по загрязненным поверхностям. Они имеют сугубо производственное, хозяйственное или атмосферное происхождение и подразделяются на следующие виды:

• Производственные стоки – это воды, использованные в технологических процессах.
• Хозяйственные загрязнения. Появляются от туалетов, прачечных, душевых, заведений общепита, обязательно имеющихся на предприятиях.

Список литературы:

1. Алексеенко П. Ф., Сорокин В. М. Приложение метода сигнальных графов к расчету схем с оптоэлектронными элементами//Полупроводниковая техника и микроэлектроника. — Киев: Наук.  думка, 1975. — Вып. 19.— С. 87—91.
2. Воднев В. В., Кораблев И. В. Графовая методика построения математических моделей оптико-акустических газоанализаторов.//Изв. вузов  СССР. Приборостроение. — 1988. — № 1. —С. 67—72.
3. Азимов Р.К., Шипулин Ю.Г. Оптоэлектронные преобразователи больших перемещений на основе полых световодов. — М.: Энергоатомиздат,  1987.—56 с.
4. А. с. № 540276 СССР. Фотоэлектрический датчик угловых и линейных  перемещений/Р. К. Азимов, Ю. Г. Шипулин//Б. И.— 1976. — № 47.
5. Полищук Е. С. Измерительные преобразователи. – Киев: Вища школа, 1981.
6. Зарипов М. Ф., Никонов А. И., Петрова И.Ю. Элементы теории информационных моделей преобразователей с распределенными параметрами.  —Уфа: БФ АН СССР, 1983.