CH623932A5 - - Google Patents

Description

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PATENTANSPRÜCHE

1. Anordnung zur Detektion von Öl in fliessendem Wasser, gekennzeichnet durch eine Messzelle (10), durch welche das Wasser fliessen kann, durch einen im Infrarotbereich betreibbaren Halbleiterlaser (11), dessen Licht senkrecht zur Strömungs- 5 richtung in die Messzelle eintritt, und durch einen öder mehrere Streulichtdetektoren auf der dem Lichteintritt gegenüberliegenden Wand der Messzelle, welche Detektoren unter einem Winkel zur Einfallsrichtung des Laserstrahls angeordnet sind und Laserlicht detektieren, welches von Öltröpfchen im Wasser 10 gestreut wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1 zur Detektion und Messung der Ölverschmutzung von in einer Leitung fliessendem Wasser, gekennzeichnet durch einen mit der Einfallsrichtung des Laserstrahls ausgerichteten Laserpegel-Photodetektor, und durch ei- 15 nen mit den Streulichtdetektoren gekoppelten Verstärker (19) mit variablem Verstärkungsgrad, wobei letzterer durch das Ausgangssignal des Laserpegeldetektors so gesteuert wird, dass durch Pegelschwankungen des Lasersignales bewirkte Schwankungen des Ausgangssignales der Streulichtdetektoren kompen- 20 siert werden.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass der genannte Laser ausgelegt ist zur Erzeugung von polarisiertem Ausgangslicht, und dass einer der weiteren Detektoren mit einem entsprechenden gekreuzten, polarisierenden Ein- 25 gangsfilter versehen ist, um nur das Licht zu detektieren, das von suspendierten Festkörperpartikeln gestreut wird.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle (11) und die Detektoren (13-15) über entsprechende Lichtleitsysteme (12,16,17) mit 30 der Messzelle gekoppelt sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ein Gallium-Aluminium-Arse-nid- oder Gallium-Aluminium-Phosphid-Laser ist.

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In manchen Fällen, z.B. bei der Entladung von Ballastwasser aus einem Öltanker, ist es notwendig, das Mass der Ölverschmutzung im fliessenden Wasser festzustellen. Das Öl, wel- 40 ches üblicherweise in der Form von sehr fein verteilten Tröpfchen vorkommt, wird oft gemessen, indem Licht von einer diffusen sichtbaren Quelle durch das Wasser geleitet wird und das gestreute Licht unter einem Winkel zum einfallenden Lichtstrahl gemessen wird. Obwohl dieses Verfahren einfach und 45 recht wirksam ist, leidet es unter dem Nachteil, dass eine Ablagerung von Schmutz auf dem Detektorsystem das einfallende Licht reduziert und dadurch falsche Messungen erzeugt werden. Weiter ist es mit konventionellen Lichtquellen schwierig, einen hinreichend intensiven Lichtstrahl für den Detektor 50 zu ergeben, damit dieser auch auf geringe Ölgehalte anspricht. Ein solcher Detektor gibt falsche Angaben, wenn suspendierte Festkörper, z.B. Rostpartikel im Strom des fliessenden Mediums vorhanden sind.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile minimal zu machen oder ganz zu überwinden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des ersten Anspruchs genannten Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden. 60

Festkörperlaser, z.B. vom Gallium-Aluminium-Arsenidt^p können im Infrarotbereich mit Wellenlängen zwischen 8500 A und 9200 A betrieben werden und sind ideal geeignet zur Lieferung eines intensiven monochromatischen Lichtstrahles für Lichtstreumessungen. Weiter kann durch die Durchführung der 65 Messungen im Infrarotbereich und unter einem relativ kleinen Winkel zum einfallenden Licht der Einfluss von Rostpartikeln, welche im Flüssigkeitsstrom vorhanden sind, sehr stark redu55

ziert werden, in vielen Fällen bis um eine Grössenordnung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Infrarot-ÖIdetektoranordnung, bei welcher Anordnung sowohl Absorbtions- als auch Streumesstechniken verwendet werden ;

Fig. 2 eine auseinandergezogene Ansicht der in der Anordnung nach Fig. 1 verwendeten Detektorzelle;

Fig. 3 die Treiberschaltung zum Betrieb der Infrarotlaser-Lichtquelle des Detektors nach Fig. 1 ;

Fig. 4 die Verstärkerschaltung des Detektors nach Fig. 1 ;

und

Fig. 5 Kennlinien des Detektors nach Fig. 1 für verschiedene Typen von Rohöl.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Öldetektoranordnung ist mit einer Zelle verbunden, die in eine Flüssigkeitsleitung eingebaut ist. Ein Halbeiter IR-Laser 11, der durch eine Lasertreiberschaltung betrieben wird und vom GaAlAs oder GaAlP-Typ sein kann, ist über ein Lichtleitsystem 12 mit einem Fenster in der Zelle gekoppelt und überträgt Licht durch die Zelle und ein weiteres in der Achse des einfallenden Laserstrahles angeordnetes Lichtleitsystem auf einen Laserpegel-Detektor 13, und auf einen oder mehrere Streulichtdetektoren 14 und 15, welche über entsprechende Lichtleitsysteme 16,17 angeschlossen sind, wobei letztere unter einem relativ kleinen Winkel, z.B. 20° zum einfallenden Laserstrahl angeordnet sind. Das Ausgangssignal der Streulichtdetektoren wird über einen Verstärker 14', 15' une eine Amplituden- und Zeitlagesteuereinrichtung 14", 15" an einen Ausgangsverstärker 19 angelegt, dessen Verstärkung durch das Ausgangssignal des Laserpegeldetektors 13 über eine automatische Verstärkungsgradregeleinrichtung 13" geregelt wird. Auf diese Weise kompensiert das Detektorsystem automatisch Änderungen im Laserausgangssignal, die durch Alterung oder Vorhandensein von Verschmutzung an den Zellenfenstern bewirkt werden. Auf diese Weise wird ein kontinuierlich korrigierter Ablesewert für den Ölpegel vom Ausgangsverstärker erhalten.

Bei gewissen Anwendungen kann ein zweiter Streulichtdetektor 15 vorgesehen werden, der unter demselben Winkel zum Laserstrahl wie der erste Detektor 14 angeordnet ist, um den kleinen Störeffekt aufzuheben, der durch das Vorhandensein von Rostpartikeln in der strömenden Flüssigkeit bewirkt wird. Bei dieser Anordnung wird das Laserausgangssignal polarisiert und ein entsprechend verkreuztes polarisierendes Filter wird dem zweiten Detektor vorgeschaltet. Da die Rostpartikel die Polarisationsebene des einfallenden Lichtes drehen, misst der zweite Detektor nur das von den Partikeln gestreute Licht. Die Ausgangssignale der beiden Streulichtdetektoren werden in einer Subtraktionsschaltung 18 verglichen, um eine korrekte Anzeige des Ölpegels zu erhalten.

Eine geeignete Konstruktion für die Messzelle ist in Fig. 2 gezeigt. Ein Zellenkörper 21 ist zwischen zwei Rohrkopplungsstücken 23 mit Dichtungsringen 24 angeschlossen und weist eine Lichteinlasskupplung 25 für das Laserlicht und Ausgangskupplungen 26 und 27 für den Detektor des Laserausgangssi-gnales und des Streulichtes auf.

Eine Treiberschaltung für den Impulsbetrieb des Lasers ist in Fig. 3 gezeigt. Die Impulsbreite und die Wiederholungsfrequenz werden durch Kippschaltungen Ml und M2 definiert, wobei ein Ausgang von M2 auf Ml zurückgeführt ist. Das andere Ausgangssignal der monostabilen Schaltung M2 wird über einen Emitterfolger TRI und Stromverstärker TR2 und TR3 an die Leistungsausgangsstufe angelegt, welche die Transistoren TR4 und TR5 aufweist. Der Pegel des Ausgangsimpulsstromes wird durch den Widerstand VR2 eingestellt. Vorzugsweise wird der Laser unterhalb seiner maximalen Ausgangslei

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stung betrieben, wodurch die Lebensdauer des Lasers stark erhöht und Alterungseffekte wesentlich verringert werden.

Die Detektorverstärkungs- und Zeitsteuerschaltung ist in Fig. 4 gezeigt und weist drei wechselstromgekoppelte Operationsverstärker mit FET-Eingang auf. Da der Sperrstrom des Eingangsphotodetektors Dl eine im wesentlichen lineare Kennlinie in Bezug auf das auf seine Oberfläche einfallende Licht aufweist, arbeitet die erste Stufe als Strom/Spannungswandler. Das Signal wird in der zweiten und dritten Operationsverstärkerstufe weiter verstärkt, welche auch eine Zeitkonstante von ungefähr 1 Sekunde einführt, bevor das Signal an ein Messgerät oder an ein Aufzeichnungsgerät angelegt wird.

Die Detektorausgangsschaltung und die Lasertreiberschaltung sind lediglich als Beispiele angeführt und andere ähnliche Schaltungen können natürlich auch verwendet werden.

Das Ansprechen des Detektors ändert sich in Abhängigkeit des im Wasser vorhanden Öltyps. Dieser Effekt ist in Fig. 5 gezeigt, welcher die relative Abhängigkeit des Detektors von verschiedenen Typen von Rohöl zeigt.

Wegen der Spühlwirkung der Flüssigkeit durch die Zelle ist es nicht notwendig, irgend eine Art von Fensterreinigung vorzusehen, insbesondere weil die Einrichtung das Vorhandensein von Verschmutzung automatisch kompensiert. Bei gewissen 5 Anwendungen können jedoch die Fenster mit Reinwasserdüsen versehen werden, um deren Reinheit aufrecht zu erhalten. Die Fenster sind natürlich aus IR-transparentem Material herzustellen, z.B. aus Quarz oder Silicium.

In gewissen Anwendungen kann die Detektoranordnung io gegen Überlast durch übergrosse Quantitäten von öl in Wasser geschützt werden durch einen zweiten Grobdetektor, der in Strömungsrichtung vorher angeordnet wird und ein Nebenschlussventil betätigen kann, wenn übermässige Ölpegel eintreffen.

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Obwohl die Detektoranordnung unter Bezugnahme auf Ga AI As oder Ga AIP-Laser beschrieben wurde, können auch andere Halbleiterlaser verwendet werden, vorausgesetzt, das Material hat einen Bandsprung grösser als 0,5 eV.

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5 Blatt Zeichnungen