RU200760U1

RU200760U1 - SUBMERSIBLE OXYGEN SENSOR

Info

Publication number: RU200760U1
Application number: RU2020109991U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Александрович Светличный; Павел Стефанович Пляка
Original assignee: Дмитрий Александрович Светличный
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2020-11-11

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для измерения концентрации кислорода, растворенного в воде. Задача полезной модели состоит в автоматическом устранении возникающей погрешности прибора с помощью дополнительного диода красного свечения и цифрового термометра для термокомпенсации, а также в упрощении конструкции прибора с помощью использования сдвоенного однокорпусного диода синего и красного света. Датчик кислорода (чертеж) в нижней своей части содержит оптически прозрачную пластину 1 с нанесенным снаружи хемочувствительным слоем 2, контактирующим с растворенным в воде кислородом. Синий диод 8, управляемый блоком 11, создает короткие световые вспышки, которые возбуждают флуоресценцию в хемочувствительным слое 2, заставляя его светиться красным светом с интенсивностью, зависимой от концентрации растворенного в воде кислорода. Фотоприемный сенсор 6 принимает свечение хемочувствительного слоя, через красный светофильтр 7, отсекающий синий свет диода возбуждения флуоресценции 8. Сигнал сенсора усиливается и оцифровывается аналогово-цифровым преобразователем 10. Синий диод выполнен в одном корпусе с дополнительным диодом красного света 9. Попеременно, между вспышками синего света, блок 11 формирует вспышки красного света, излучаемые диодом 9. Красный свет рассеивается хемочувствительным слоем, не вызывая его флуоресценцию и фиксируется фотоприемником 6, что позволяет оценить количество оставшегося в пленке активного вещества, при его постепенном вымывании и деградации. Для автоматической термокомпенсации показаний датчика, в конструкцию введем цифровой термометр 13. Подобные решения значительно продлевают срок эксплуатации и упрощают обслуживание датчика за счет введения автоматической калибровки, учитывающей вымывание активного вещества из хемочувствительного слоя и термокомпенсации показаний.The utility model relates to measuring equipment and is designed to measure the concentration of oxygen dissolved in water. The task of the utility model is to automatically eliminate the resulting device error using an additional red diode and a digital thermometer for thermal compensation, as well as to simplify the device design by using a double single-case blue and red light diode. The oxygen sensor (drawing) in its lower part contains an optically transparent plate 1 with a chemosensitive layer 2 applied outside, in contact with oxygen dissolved in water. The blue diode 8, controlled by the unit 11, creates short light flashes that excite fluorescence in the chemosensitive layer 2, causing it to glow with red light with an intensity dependent on the concentration of oxygen dissolved in water. The photoreceiving sensor 6 receives the glow of the chemosensitive layer through the red filter 7, which cuts off the blue light of the fluorescence excitation diode 8. The sensor signal is amplified and digitized by the analog-to-digital converter 10. The blue diode is made in the same housing with an additional red light diode 9. Alternately, between blue flashes light, block 11 generates flashes of red light emitted by diode 9. Red light is scattered by the chemosensitive layer without causing its fluorescence and is fixed by the photodetector 6, which makes it possible to estimate the amount of active substance remaining in the film during its gradual washing out and degradation. For automatic temperature compensation of the sensor readings, we will introduce a digital thermometer 13 into the design. Such solutions significantly extend the service life and simplify the sensor maintenance due to the introduction of automatic calibration, which takes into account the leaching of the active substance from the chemosensitive layer and temperature compensation of the readings.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для измерения концентрации кислорода, растворенного в воде.The utility model relates to measuring equipment and is designed to measure the concentration of oxygen dissolved in water.

Из уровня техники известны конструкции датчиков измерения растворенного в воде кислорода, использующие различные подходы, например, метод электрохимического анализа (RU 2469306 С1, МПК G01N 27/49, 11.08.2011) [1], (RU 25224 U1, МПК G01N 27/28, 23.01.2002) [2], или с помощью люминесцентного спектрально-кинетического анализатора вместо диодов и сенсоров (RU 2667678 С1, МПК G01N 21/62, G01J 1/58, 13.07.2017) [3], либо люминесцентный метод (RU 2235312 С2, МПК G01N 21/64, 10.10.2002) [4], (RU 2172948 С1, МПК G01N 21/64, 30.12.1999) [5], (RU 2156969 С1, МПК G01N 21/64, 02.02.1999) [6].The prior art knows the design of sensors for measuring oxygen dissolved in water using various approaches, for example, the method of electrochemical analysis (RU 2469306 C1, IPC G01N 27/49, 11.08.2011) [1], (RU 25224 U1, IPC G01N 27/28 , 23.01.2002) [2], or using a luminescent spectral-kinetic analyzer instead of diodes and sensors (RU 2667678 C1, IPC G01N 21/62, G01J 1/58, 13.07.2017) [3], or the luminescent method (RU 2235312 С2, IPC G01N 21/64, 10.10.2002) [4], (RU 2172948 С1, IPC G01N 21/64, 30.12.1999) [5], (RU 2156969 С1, IPC G01N 21/64, 02.02.1999 ) [6].

Известные конструкции, особенно представленные в патентах [3]-[6], включают в основе своего устройства хемочувствительный сенсор, восприимчивый к наличию кислорода в водной среде. Оценить количество кислорода можно с помощью измерения степени гашения его люминесценции под действием возбуждающего синего света. Чем больше концентрация растворенного кислорода, тем меньше люминесценция. В конструкции датчика имеется светоизлучающий диод, являющийся источником синего света, который вызывает люминесценцию в хемочувствительном слое, сопровождающуюся излучением красного света. Этот свет, пройдя через красный светофильтр, удаляющий синюю составляющую, захватывается фотоприемным сенсором, установленным над чувствительным к кислороду слоем, а уже затем вычислительный и программный комплекс дает оценку количества кислорода в воде.Known designs, especially those presented in patents [3] - [6], include at the heart of their device a chemosensitive sensor that is sensitive to the presence of oxygen in an aqueous medium. The amount of oxygen can be estimated by measuring the degree of quenching of its luminescence by exciting blue light. The higher the concentration of dissolved oxygen, the lower the luminescence. The sensor has a light emitting diode, which is a blue light source, which causes luminescence in the chemosensitive layer, accompanied by the emission of red light. This light, having passed through a red filter that removes the blue component, is captured by a photodetector sensor installed above the oxygen-sensitive layer, and only then the computer and software complex estimates the amount of oxygen in the water.

В отличии от известных конструкций, где не учитываются ситуации, когда главное вещество хемосенсора вымывается или окисляется под действием самого кислорода или других растворенных веществ, а также при фотодеградации в процессе использования, в основную конструкцию датчика вносятся цифровой термометр и дополнительный светоизлучающий диод красного свечения, который является диодом сравнения и с помощью специального алгоритма может проводить калибровку для более точного результата.Unlike well-known designs, where situations are not taken into account when the main substance of the chemosensor is washed out or oxidized under the influence of oxygen itself or other solutes, as well as during photodegradation during use, a digital thermometer and an additional light-emitting diode of red light are introduced into the main design of the sensor. is a comparison diode and, using a special algorithm, can calibrate for a more accurate result.

Задача полезной модели состоит в автоматическом устранении возникающей погрешности прибора с помощью дополнительного диода красного свечения и цифрового термометра для термокомпенсации, а также в упрощении конструкции прибора с помощью использования сдвоенного однокорпусного диода синего и красного света.The task of the utility model is to automatically eliminate the resulting device error using an additional red diode and a digital thermometer for thermal compensation, as well as to simplify the device design by using a double single-case blue and red light diode.

Технический результат - значительное продление срока эксплуатации и упрощение обслуживания датчика за счет введения автоматической калибровки и термокомпенсации.The technical result is a significant extension of the service life and simplified maintenance of the sensor due to the introduction of automatic calibration and temperature compensation.

Указанный технический результат достигается тем, что датчик кислорода содержит диод красного свечения в паре с диодом синего свечения и цифровой термометр, а конструкция самого датчика имеет некоторое переосмысление. Полезная модель поясняется чертежом.The specified technical result is achieved by the fact that the oxygen sensor contains a red diode paired with a blue glow diode and a digital thermometer, and the design of the sensor itself has some rethinking. The utility model is illustrated by a drawing.

Датчик кислорода в нижней своей части содержит (чертеж) оптически прозрачную пластину 1 с нанесенным снаружи хемочувствительным слоем 2, контактирующим с растворенным в воде кислородом. Для герметичности пластина через силиконовую прокладку 3 прижата фиксирующей гайкой 4 к корпусу 5, выполненному из нержавеющей стальной трубы. Фотоприемный сенсор 6 принимает свечение хемочувствительного слоя, через красный светофильтр 7, отсекающий синий свет диода возбуждения флуоресценции 8, выполненного в одном корпусе с дополнительным диодом красного света 9. Сигнал сенсора усиливается и оцифровывается аналогово-цифровым преобразователем 10.The oxygen sensor in its lower part contains (drawing) an optically transparent plate 1 with a chemosensitive layer 2 applied outside, in contact with oxygen dissolved in water. For tightness, the plate is pressed through the silicone gasket 3 with the fixing nut 4 to the body 5 made of stainless steel pipe. The photoreceiving sensor 6 receives the glow of the chemosensitive layer through a red filter 7, which cuts off the blue light of the fluorescence excitation diode 8, made in the same housing with an additional red light diode 9. The sensor signal is amplified and digitized by an analog-to-digital converter 10.

Синий и красный кристаллы диода светятся короткими вспышками попеременно, для формирования которых служит блок управления импульсами 11. Блоки 10 и 11 управляются микроконтроллерным вычислительным устройством 12. Для автоматической термокомпенсации показаний датчика, в конструкцию введем цифровой термометр 13. Верхняя часть корпуса 5 закрыта через силиконовую прокладку крышкой из нержавеющей стали 14 в которой установлен кабельный ввод 15 для подключения электрического кабеля 16.The blue and red crystals of the diode shine with short flashes alternately, for the formation of which the pulse control unit 11 serves. Units 10 and 11 are controlled by a microcontroller computing device 12. For automatic temperature compensation of the sensor readings, we will introduce a digital thermometer into the structure 13. The upper part of the case 5 is closed through a silicone gasket a stainless steel cover 14 in which a cable gland 15 is installed for connecting an electric cable 16.

Работает устройство следующим образом: в процессе эксплуатации, при погружении, оптически прозрачная пластина 1 контактирует с исследуемой водой хемочувствительным слоем 2, вызывая в нем равновесные химические превращения, сопровождающиеся обратимым изменением его флуоресцентных свойств. Синий диод 8, управляемый блоком 11, создает короткие световые вспышки необходимой длительности, которые возбуждают флуоресценцию в хемочувствительным слое 2, заставляя его светиться красным светом, который, проходя через красный светофильтр 7, попадает на фотоприемный сенсор 6, превращающий его в аналоговый электрический сигнал, оцифровываемый с помощью блока АЦП 10 для дальнейшей обработки. Попеременно, между вспышками синего света, блок 11 формирует вспышки красного света, излучаемые диодом 9. Красный свет рассеивается хемочувствительным слоем, не вызывая его флуоресценцию и фиксируется фотоприемником 6, что необходимо для оценки количества оставшегося в пленке активного вещества, при его постепенном вымывании и деградации. Единое вычислительное устройство 12, производит математическую обработку данных, полученных при синих и красных вспышках света, а также данных со встроенного цифрового термометра 13, результат измерения концентрации кислорода в мг/л передается на внешнее устройство по электрическому кабелю.The device operates as follows: during operation, during immersion, an optically transparent plate 1 contacts the test water with a chemosensitive layer 2, causing equilibrium chemical transformations in it, accompanied by a reversible change in its fluorescent properties. The blue diode 8, controlled by the unit 11, creates short light flashes of the required duration, which excite fluorescence in the chemosensitive layer 2, causing it to glow with red light, which, passing through the red filter 7, enters the photoreceiving sensor 6, converting it into an analog electrical signal. digitized using the ADC unit 10 for further processing. Alternately, between flashes of blue light, unit 11 generates flashes of red light emitted by diode 9. Red light is scattered by the chemosensitive layer without causing its fluorescence and is fixed by the photodetector 6, which is necessary to assess the amount of active substance remaining in the film during its gradual washing out and degradation ... A single computing device 12 performs mathematical processing of the data obtained with blue and red flashes of light, as well as data from the built-in digital thermometer 13, the result of measuring the oxygen concentration in mg / l is transmitted to an external device via an electric cable.

Изготовлен опытный образец заявляемой полезной модели, который протестирован на научно-исследовательском судне (НИС) Денеб и в акваториях Азовского и Черного морей, а также на установках замкнутого водоснабжения аквакомплекса ЮНЦ РАН. Спустя два года эксплуатации, за счет применения дополнительного диода красного свечения, у прибора отсутствовал дрейф показаний, связанный с вымыванием и деградацией хемочувствительного слоя, в то время, как у приборов аналогов, снабженных только диодом синего света, этот дрейф присутствовал, что требовало проведения регулярной калибровки.A prototype of the claimed utility model was made, which was tested on the research vessel (NIS) Deneb and in the waters of the Azov and Black Seas, as well as on the closed water supply units of the aqua complex of the SSC RAS. After two years of operation, due to the use of an additional red diode, the device did not have a drift of readings associated with washing out and degradation of the chemosensitive layer, while in analogue devices equipped with only a blue light diode, this drift was present, which required a regular calibration.

Источники информации:Sources of information:

1. RU 2469306 С1, МПК G01N 27/49, 11.08.2011.1. RU 2469306 C1, IPC G01N 27/49, 11.08.2011.

2. RU 25224 U1, МПК G01N 27/28, 23.01.2002.2. RU 25224 U1, IPC G01N 27/28, 23.01.2002.

3. RU 2667678 С1, МПК G01N 21/62, G01J 1/58, 13.07.2017.3. RU 2667678 C1, IPC G01N 21/62, G01J 1/58, 13.07.2017.

4. RU 2235312 С2, МПК G01N 21/64, 10.10.2002.4. RU 2235312 C2, IPC G01N 21/64, 10.10.2002.

5. RU 2172948 С1, МПК G01N 21/64, 30.12.1999.5. RU 2172948 C1, IPC G01N 21/64, 30.12.1999.

6. RU 2156969 С1, МПК G01N 21/64, 02.02.1999.6. RU 2156969 C1, IPC G01N 21/64, 02.02.1999.

Claims

1. Oxygen sensor, characterized in that it contains a sealed stainless steel housing made in the form of a pipe with two sealed covers, one of which contains an optically transparent plate with a chemosensor layer applied to it, and the other - a connected electrical cable, internal layout contains a photoreceiving sensor equipped with a red light filter, an ADC unit, a dual-crystal light-emitting diode, a pulse diode control unit, a digital thermometer and a single microcontroller data processing unit.

2. The oxygen sensor according to claim 1, characterized in that a double single-case blue and red LED is used.

3. The oxygen sensor according to claim 1, characterized in that it contains a built-in digital thermometer with a software algorithm for temperature compensation.