Автоматизация рефрактометра РПЛ-2 на основе применения технического зрения
Введение
оптика рефрактометр зрение
Целью курсовой работы является - автоматизация рефрактометра РПЛ-2 на основе применения технического зрения.
Поставленная цель раскрывается через следующие задачи:
1) Изучение принципа работы рефрактометра РПЛ-2;
2) Получение навыков работы в программе LabVIEW;
3) Изучение модуля технического зрения NI VISION ASSISTANT;
3) Модернизация рефрактометра РПЛ-2 с помощью камеры NI 1712 Smart Camera;
4)Разработка программы для работы с модернизированным рефрактометром РПЛ-2.
Рефрактометрией называется раздел прикладной оптики, в котором рассматриваются методы измерения показателя преломления света (n) при переходе из одной среды в другую, или, иными словами, показатель преломления n - это отношение скоростей света в граничащих средах.
Основная задача рефрактометрического анализа заключается в определении показателя преломления света при переходе его из одной среды в другую. При помощи метода рефрактометрии, можно установить строение молекулы. Оптические приборы, измеряющие показатель преломления, называются рефрактометрами. В данной работе применяется рефрактометр, принцип действия которого основан на явлениях, происходящих при прохождении света через границу раздела двух сред с разными показателями преломления. Преломление света, вызвано разной скоростью распределения света в разных средах. При этом отношение синуса угла падения луча (б) к синусу угла преломления (в) для двух соприкасающихся сред есть величина постоянная, которая называется показателем преломления (n).
Показатель преломления также равен отношению скоростей распространения света в этих средах:
Показатель преломления называют абсолютным, если первая среда "пустота". Абсолютный показатель преломления вещества N = c/v, где с-скорость света в пустоте; v-скорость света в веществе.(Рисунок 1)
Рисунок 1 - Скорость распространения света в средах
Для видимых лучей света показатель преломления воздуха принимают равным единице. При температуре 0°С давлении 101325 Па показатель преломления воздуха n0=1,000293. Поэтому для получе-ния абсолютного значения показатель преломления, определяемый при обычных условиях в воздухе, значение n необходимо умножить на n0:
N = n0•n;
Для растворов одного и того же вещества различной концентрации при условии выполнения правила аддитивности показатели преломле-ния C1•n1+C2•n2=(C1+C2)•n справедлива формула (1):
C1/C2=k•(n-n0)/(n1-n2
где С1 и С2- концентрация компонентов смеси; и - показатели пре-ломления компонентов; n-показатель преломления смеси; k-постоянная, равная модулю перехода от объемных долей к массовым.
Проведя расчеты в объемных долях, с учетом, что при этом С1+С2=100 %, для определенной концентрации
Обозначив(n1-n2)/100=k (инкремент показателя преломления), получим
[2]
Таким образом, методы рефрактометрии можно с успехом применять для определения концентрации растворов, инкремент показателя которых существенно больше нуля.
1.Применение рефрактометрии
На основе явления рефрактометрии основаны приборы рефрактометры. Рефрактометры применяются в анализе химических веществ. В свою очередь рефрактометр используется для определения видов соединений, их структурного анализа, параметров, концентрации содержащихся в них веществ. Этот прибор нашел применение в различных научно - исследовательских разработках. Также они широко применяются во многих отраслях промышленности.
В химической промышленности рефрактометр используют для определения концентрации химических растворов, таких как различные кислоты, соли, растворители и многие другие. Это важно при производстве разных видов пластмасс, синтетических смол, растворителей, в производстве химических удобрений. В текстильной промышленности рефрактометры чаще применяют в производстве синтетического волокна. А в нефтяной и газовой индустрии для определения качества продукта, также для определения возможной утечки и скопления газов. Рефрактометрический метод используется для контроля процессов производства клея на основе крахмала. Без рефрактометров была бы затруднена фармацевтическая и косметологическая промышленность.
Рефрактометры применяются при производстве сахара и продуктов, содержащих сахар, при производстве безалкогольных напитков, а также для анализа винного сусла, молока и молочных изделий. С помощью рефрактометра определяют плотность паст, сиропов, пюре, джемов и так далее.
Существуют несколько видов и модификаций рефрактометров. Разные модели приспособлены для работы в разных условиях. Как правило, это приборы, простые в эксплуатации, не требующие особых знаний и навыков для работы с ними.[3]
1.1 Обзор рефрактометров
Существуют много типов рефрактометров, обладающие различной конструкцией, техническими данными и предназначенные для решения разнообразных научно - исследовательских и производственно-технологических задач. Рассмотрим некоторые из них.
1.2 Портативный рефрактометр
Портативный рефрактометр - комфортный, переносной прибор, который предназначен для оперативного контроля показателя преломления веществ в различных условиях. Прибор оснащен термодатчиками, имеет программное обеспечение для автоматической компенсации влияния температуры раствора на результаты измерений.
Портативный рефрактометр (Рисунок 2) позволяет измерять концентрацию растворов сахарозы по шкале Brix.
Рисунок 2 - Портативный высокоточный рефрактометр серии Palette
Серия портативных высокоточных рефрактометров Palette представляет рефрактометры, обладающие двумя составляющими - точностью и портативностью. Быстрое получение результатов высокой точности прямо на месте испытания. Рефрактометры серии Palette оборудованы новой системой "External - Light - Interference" (ELI), предупреждающей об избыточном внешнем освещении. Рефрактометры серии Palette оснащены функцией программируемой шкалы пользователя, позволяющая вводить коэффициент К в формулу, которая выглядит следующим образом: С (концентрация) = Brix · К. Это же свойство можно использовать для выражения концентрации любого типа вещества.
Средняя цена таких рефрактометров составляет 21800 рублей.
1.3 Лабораторный рефрактометр
Лабораторный рефрактометр - прибор, предназначенный для исследования веществ в научных лабораториях и периодического контроля технологических процессов в производственных лабораториях.
Рефрактометр ИРФ-454Б2М (Рисунок 3) - удобный в использовании прибор, который предназначен для определения показателей преломления неагрессивных прозрачных жидкостей и растворов.
Практически все лабораторные методики, требующие использования рефрактометров, ориентируются на рефрактометр ИРФ 454 Б2М. Его диапазон измерений, охватывает всю шкалу от 0 до 100% и обеспечил универсальность и практичность его применения.
Такой рефрактометр нашел своё применение в медицинских учреждениях, в стекольной, пищевой, химической, фармацевтической промышленности, а также в научно - исследовательских институтах.
Принцип действия этого рефрактометра основывается на явлении полного внутреннего отражения при прохождении светом границы раздела двух соприкасающихся сред с разными показателями преломления.
Рефрактометр имеет проточную измерительную ячейку, возможно проведение измерений в широком температурном интервале от 10 до 40°С. Встроенный термометр позволяет контролировать температуру с точностью до 1.0°С. Данный рефрактометр приспособлен для работы, как в прямом, так и в отраженном свете.
Рефрактометр владеет рядом положительных свойств, таких как: быстрота измерения, простота обслуживания, минимальный расход исследуемого вещества, что особенно важно при работе с дорогостоящими материалами.
Рисунок 3 - Лабораторный рефрактометр ИРФ-454Б2М
Розничная цена такого рефрактометра составляет 65500 руб.
1.4 Промышленный рефрактометр
Промышленный рефрактометр (поточный рефрактометр) - это встраиваемый в технологические установки автоматический прибор, который работает в реальном масштабе времени. Промышленный поточный рефрактометр считается высокоэффективным и функциональным прибором для контроля и автоматизации технологических производственных процессов.
Проточный рефрактометр PRM-100б (Рисунок 4) встраивается в конвейерную систему заводов - изготовителей, устройства для смешивания жидких смесей и моющих аппаратов для дальнейшего продолжительного измерения концентрации различных жидкостей. Такой рефрактометр идеально подходит для контроля смешения, концентрации, ферментаций и контроля концентрации очищающих средств на основе воды или щелочи.
Промышленный рефрактометр PRM-100 alpha предназначен для измерения концентрации веществ в потоке непрерывным способом.
Прибор состоит из двух блоков. Первый - сам измерительный блок, второй - блок отображения информации.
Как правило, второй блок находится на значительном большом расстоянии от измерительного блока и соединен кабелем. Призма блока выполненная из высококачественного искусственного сапфира, обладает стойкостью к механическим повреждениям и прилипанию продукта измерения.
Прибор имеет высокую точность измерения в широком диапазоне.
Цена такого рефрактометра примерно 12257$.
Рисунок 4 - Рефрактометр проточный PRM-100alpha
Промышленный рефрактометр CM-800 alpha (Рисунок 5) - это последняя разработка в серии СМ. Усовершенствованная версия снятого с производства CM-780 alpha. Такой прибор имеет такую же точность и воспроизводимость, как и более дорогая версия PRM. Данный прибор предназначен для измерения концентрации веществ промышленным способом, то есть в производстве, непосредственно в технологическом потоке. Прибор выводит данные на экран по шкале %Brix. Данный прибор обладает превосходной точностью измерения в широком диапазоне.
Рисунок 5 - Рефрактометр Atago Промышленный CM-800 alpha
оптика рефрактометр зрение
Цена этого рефрактометра 6259$.[4]
Наряду с рассмотренными выше приборами на предприятиях г. Тамбова и Тамбовской области широко используются хорошо зарекомендовавшие себя прецизионные рефрактометры типа РПЛ-2». Их устройство и принцип действия будут рассмотрены ниже. Эксплуатация прибора требует участия оператора в определении и обработке измерительной информации. В связи с этим, а также в связи с развитием информационных технологий, электронного документооборота, автоматизацией всех видов испытаний и контроля использование прибора становится неэффективным. В то же время есть возможности для модернизации этого прибора, что позволит существенно улучшить его эксплуатационные характеристики и встраивать в информационные системы формирования отчетов, протоколов испытаний и так далее.
2.Принцип работы рефрактометра РПЛ-2
В основе устройства прибора заложен оптический метод исследования растворов, заключающийся в определении показателя прелом-ления исследуемого раствора по предельному углу преломления. Не-которое количество исследуемой жидкости помещают между двумя гипотенузными гранями призм I и II (Рисунок 6). Призма I имеет хорошо отполи-рованную грань АВ и является измерительной. От источника света лучи падают на грань С'В', преломляются и по-падают на матовую поверхность А'В'.
Рисунок 6 - Кюветный преобразователь рефрактометра
В результате рассеивания света матовой поверхностью, в исследуемую жидкость входят лучи различных направлений, после этого они проходят слой исследуемой жидкости и попадают на поверхность АВ призмы I. На приборе можно исследовать жидкости, показатель преломления которых меньше показателя преломления призмы I. Исходя из этого лучи всех направлений, преломившись на границе жидкости и стекла войдут в призму.
Из закона преломления мы имеем:
Где n показатель преломления исследуемой жидкости, - угол падения луча, N - показатель преломления измерительной призмы, - угол преломления луча. Из уравнения (2) получаем уравнение (3).
Отсюда следует, что с увеличением угла угол также будет расти, достигая максимального значения при угле падения = 90°, когда падающий луч скользит по поверхности АВ. [5]
Максимальное значение угла преломления, соответствует углу падения 90°, который называется предельным углом преломления.
Оптическая схема прибора представлена на рисунке 7. Лучи света от электролампочки 1 с помощью двухлинзового конденсатора 2 направляются в осветительную призму 3, там проходят тонкий слой исследуемой жидкости с измерительной призмой 4, затем после отражения от плоского зеркала 5 направляются в призму прямого зрения 6 , попадая в двухлинзовый несклеенный объектив 7. Далее лучи проходят плоскопараллельную наклонную пластинку 8, шкалу 9 и через окуляр типа Кельнера 10, 11, 12 попадают в глаз наблюдателя.
Рисунок 7 - Оптическая схема прибора
Рефрактометр состоит из следующих основных частей (Рисунок 8): чугунного основания 1 с кронштейном 2, головки 3, зрительной трубы 4 с отсчетным устройством. Для поддержания постоянной температуры призм предусмотрены камеры, через которые пропускается вода. Подача и отвод воды осуществляется с помощью резиновых шлангов, одеваемых на штуцера 8 верхней 11 и нижней 12 камер кюветного преобразователя. Нижняя камера 12 жестко закреплена в кронштейне и связана с нижней камерой. Перед объективом зрительной трубы расположена призма прямого зрения дисперсионного компенсатора. Устранение окрашенности границы светотени осуществляется поворотом кольца 7.