Методика тестирования неоднородных жидких оптических сред

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Разработана и экспериментально опробована методика тестирования неоднородных оптических сред для лабораторной установки контроля изменений оптической плотности водных сред, позволяющая прогнозировать динамику изменений свойств оптических сред, что важно при создании аппаратуры для устранения аварийных выбросов загрязняющих веществ.

Аварийное загрязнение водных объектов часто возникает при залповом сбросе вредных веществ в поверхностные воды объектов, что причиняет вред здоровью населения и состоянию окружающей среды. Для решения данной проблемы необходим оперативный анализ неоднородных водных сред с целью дальнейшего принятия решений о проведении эффективных защитных процедур [1].

В работе представлена методика тестирования неоднородных оптических сред на лабораторной установке контроля изменений оптической плотности водных сред для ряда загрязняющих веществ, таких как подсолнечное масло, нефть.

При разработке методики, как конкретной процедуры проведения нацеленных действий по тестированию неоднородных оптических жидких сред, при конкретизации приемов и задач руководствовались следующими требованиями: реалистичностью, воспроизводимостью, соответствию целям и задачам планируемого действия, обоснованностью структурно-логические схемы.

Во вводной части методики установлено, что в соответствии с IEEE Std 829-1983 процедура тестирования как процесс анализа свойств жидких сред, направлена на выявление отличий между реально существующими и требуемыми свойствами. Приведены требования к результатам тестирования, установлены вероятностно-временные характеристики проведения тестовых операций [2, 3].

В первом разделе методики приведена модель физических процессов в жидких оптических средах в виде системы внутренних моделей из последовательной цепи модельных блоков, предназначенных соответственно для идентификации вида неоднородности, процентного содержания примесей, характеристик их распространения в различных средах. Каждый блок снабжается моделью (информационным процессором), входными данными и возможностями адекватного представления результатов на выходе. Входными данными каждого модельного блока служат измерительные и статистические данные (из баз данных и знаний, экспертных систем), или результаты модельных расчетов, поступающие с выхода предыдущего блока, либо и те и другие одновременно с весовыми вкладами, учитывающими уровень неопределенности в каждом из них. Внутренняя модель организована иерархически и содержит несколько уровней пространственной и временной организации.

Во втором разделе методики проведен анализ математической модели первого раздела, определены спектральные характеристики источника оптического излучения и фотоприемника, представлены требования к составу и свойствам аппаратуры тестирования.

В третьем разделе методики описана технология операции тестирования. Тестирование начинается со статического режима. Между излучателем и фотоприемником помещается воздушная среда. Этот режим принимается за исходный.

Затем между источником оптического излучения и фотоприемником помещаются последовательно стекла для их защиты от влияния жидких сред, рабочая «крестовина» стенда, «крестовина» с дистиллированной водой, водопроводной водой, подсолнечным маслом, соотношением водопроводной воды и подсолнечного масла 2 к 1, 1 к 1, 1 к 2, соответственно, и нефтью. «Крестовина» представляет собой два герметичных пересекающихся цилиндра. По первому движется жидкая среда. Во втором - в месте пересечения с первым цилиндром, установлены лазерный источник оптического излучения с длиной волны в заданной области спектра и фотоприемник с необходимой спектральной чувствительностью, отделенные от исследуемой жидкости прозрачными стеклами.

После окончания указанных процедур все повторяется в динамическом режиме.

В четвертом разделе методики описана аппаратура тестирования. Тестирование проводится на лабораторном стенде, приведенном на рисунке 1 [4].

Рисунок 1 - Лабораторный стенд

водный оптоэлектронный датчик

Стенд содержит емкости для жидких сред, вентили для получения неоднородных жидких сред, «крестовину» с установленными источником оптического излучения и фотоприемником, устройство согласования с компьютером, исполнительное устройство (отделения примесей).

Виртуальная панель аппаратуры тестирования выводится на монитор (рисунок 2).

На ней задается режим (автономный или ручной), старт и стоп мониторинга, очистка экрана, перезагрузка контроллера, имеются панель настроек и контрольные точки АЦП.

Настройки контроллера включают: контроль сигнала (+) и (-), время реакции АРУ, точка смещения АРУ, время аварийной задержки, сброс после аварии, предел тока источника оптического излучения, предел усиления фотоусилителя, предел усиления усилителя-делителя.

При настройке на текущую среду задаются выходной ток источника излучения, коэффициенты преобразования и усиления, рабочая точка.

За исходную рабочую точку приняты показания при прохождении воды через оптический тракт (источник-фотоприемник) экспериментальной установки. Вода перемещалась с разной скоростью в различных направлениях. Возможные скачкообразные колебания напряжения на выходе фотоприемника обусловлены колебаниями водной среды.

Для формирования базы данных кривых изменения оптической плотности водных сред проведены измерения при механическом загрязнении песком, рудными и глинистыми включениями. Имитация этого режима получена при внесении в воду меловой взвеси четырех концентраций. Результаты экспериментов представлены на рисунках 3 и 4.

Рисунок 2 - Виртуальная панель аппаратуры тестирования

Рисунок 3 - Разность сигналов с оптоэлектронного датчика для водной среды при внесении в неё меловой взвеси различной объемной концентрации

Для формирования указанной выше базы данных проведены измерения при загрязнении водной среды подсолнечным маслом и нефтью. Для проверки чувствительности и определения порога срабатывания устройства применялась методика тестирования с использованием конкретных заданных примесей. Через гидросистему пропускалась эталонная смесь подсолнечного масла и нефти в водопроводной воде. Проведены исследования смеси с содержанием 30 %, 40 %, 60 % и 70 %. При прохождении через оптический тракт водной среды с загрязнителями оптическая плотность увеличивалась, изменение уровней сигнала ярко выражены.

На рисунке 2 приведен конкретный пример тестирования воды с неоднородностью в виде примеси нефти. Области 1 и 5 соответствуют прохождению нефти. Области 2 и 4 соответствуют прохождению границы сред. Область 3 на рисунке соответствует прохождению водного слоя в оптическом тракте. Примесь нефти легко идентифицируется из-за повышенной оптической плотности, вязкости, сил поверхностного натяжения. На границе сред вода - нефть кроме изменения оптической плотности от воды к нефти наблюдаются волнообразные движения, обусловленные нестационарностью движения загрязнителя.

Рисунок 4 - Изменение оптической плотности водной среды при внесении в нее меловой взвеси различной концентрации

В пятом разделе методики приведен материал, связанный с подготовкой и условиями проведения тестирования. При подготовке к тестированию выбирают порт, устанавливают настройки контроллера, производят настройку на текущую среду, проверяют уровень сигнала в контрольных точках АЦП, определяют область отображения сигнала. Затем подается анализируемая жидкая среда, результаты тестирования запоминаются и обрабатываются в компьютере. После окончания тестирования результаты и оформляются в соответствии с требованиями научно-технической документации.

Результаты проведенных экспериментов обладали хорошей воспроизводимостью и достоверностью, что позволило сделать вывод об эффективности разработанной методики тестирования. Полученные результаты позволяют прогнозировать возможные изменения оптической плотности смеси жидких сред «вода - подсолнечное масло», «вода - нефть», «воздух - нефть», «воздух - вода», «воздух - подсолнечное масло» и выбрать обоснованные режимы работы контрольной аппаратуры.

Разработанная методика тестирования неоднородных оптических сред с тестовыми процедурами проверки различных аспектов отдельно выделенных характеристик оптических сред позволяет выявить отличия между реально существующими и требуемыми свойствами оптических сред, прогнозировать динамику их изменения и трансформации, выполнять сравнение и масштабирование при различных режимах работы контрольной аппаратуры.

Литература

1. Алексеев В.А., Козаченко Е.М., Юран С.И. Управление аварийными сбросами в технологическом процессе очистки сточных вод предприятия // Приборостроение-2012: материалы пятой междунар. науч.-техн.конф. (21-23 ноября 2012 г.) - Минск: Изд-во Бел. Нац. Техн. Ун-та, 2012. - С. 5-6.

2. Алексеев В.А., Усольцев В.П., Юран С.И. Обобщенная вероятностная математическая модель поступления сточных вод на очистные сооружения при залповых сбросах // Интеллектуальные системы в производстве. - 2014. - № 1(23) - Ижевск : Изд-во ИжГТУ, 2014. - С.108-113.

3. Алексеев В.А., Усольцев В.П., Юран С.И. Идентификация аварийных выбросов в системах фильтрации сточных вод в явно выраженных условиях многомерности и неопределенности // Интеллектуальные системы в производстве. - 2013. - № 2(22) - Ижевск : Изд-во ИжГТУ, 2013. - С.173-177.

4. Алексеев В.А., Ардашев С.А., Козаченко Е.М., Юран С.И. Система управления автоматической установкой контроля оптической плотности сточных вод // Вестник ИжГТУ, 2010. - №4 (48). - С.101-105.

Размещено на Allbest.ru