CH670511A5 - - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG Die vorliegende Erfindung betrifft eine Streuzellenanordnung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Anordnung kann beispielsweise in einem intelligenten Mehrzweck-on-line-Sensor zur Verwendung kommen.

Im GB-Pat. Nr. 1 588 862 ist eine mehrwinklige Streuzelle zur Verwendung bei der Detektion von Festpartikeln, wie z.B. Rost, und auch zur Detektion von flüssigen Partikeln, wie z.B. Öltröpfchen in Wasser beschrieben. Eine solche Streuzelle wurde entwickelt für die Überwachung von in Wasser vorhandenem Öl im Baiast- und Bilgenwasser von Schiffen und kann auch in einer Anlage zur Detektion der Konzentration von einer oder mehreren in Wasser suspendierten Arten von Öl verwendet werden, wie dies im GB-Pat. Ges. Nr. 8 206 027 beschrieben ist.

Die erfindungsgemässe Streuzellenanordnung weist die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. Besondere Ausführungsformen sind in den Patentansprüchen 2 und 3 beschrieben.

Die Erfindung wird anhand der nachstehenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 etwas schematisch eine mehrwinklige Streuzelle mit einer einzigen Lichtquelle;

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer mehrwinkligen Streuzelle mit Mehrfachlichtquelle;

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer mehrwinkligen Streuzelle mit einer Mehrfachlichtquelle;

Fig. 4 ein Blockschema einer Auswerteschaltung; und Fig. 5 die Detektion der Streusignale durch eine Anordnung von optischen Fasern.

Fig. 1 zeigt eine mehrwinklige Streuzelle 1 mit einem Gehäuse 2, durch welches eine zu überwachende Flüssigkeit, z.B. Wasser mit darin suspendiertem Material fliessen kann, welches Gehäuse ein Eingangsfenster 3 für einfallendes Licht und eine Anzahl von Ausgangsfenstern 4, 5, 6 zum Empfang von durch das suspendierte Material gestreutem Licht. Der einfallende Lichtstrom kann durch einen nicht gezeigten IR-Festkörperlaser oder eine lichtemittierende Diode oder durch eine andere Lichtquelle erzeugt werden. Neben dem Fenster 3 ist eine Blende 7 montiert, um sicherzustellen, dass nur gestreutes Licht die Ausgangsfenster 4, 5 und 6 erreicht. In gewissen Anwendungen kann die Blende auch senkrecht zum einfallenden Lichtstrom montiert werden. Das gezeigte Gehäuse 2 hat einen kreisförmigen Querschnitt, quadratische oder rechteckige Zellen können jedoch auch verwendet werden.

Das die Fenster 4, 5 und 6 erreichende, gestreute Licht wird an entsprechende Photodetektoren 8, 9 und 10 angelegt, welche direkt an den Ausgangsfenstern montiert sein können, oder, wie im gezeigten Fall, über Lichtleitfasern 11 angeschlossen sind. Vorteilhafterweise weist die Streuzelle ein weiteres Ausgangsfenster 12 und einen zugehörigen, nichtgezeigten Detektor auf, durch welchen die Intensität des einfallenden Lichtstrahles überwacht und z.B. mit Hilfe eines Elementes 13 für die automatische Verstärkungsgradregelung des Treiberstromes der Senderlichtquelle verwendet werden kann, um Änderungen in der Intensität des einfallenden Lichtes zu kompensieren.

Die Ausgänge der Photodetektoren 8, 9, 10 sind mit der Empfängerelektronik z.B. einem Mikroprozessor 14 gekoppelt, der so programmiert sein kann, dass er die Konzentration des suspendierten Materials aus den absoluten und relativen Werten der PhotodetektorauSgangssignale errechnen kann. Dies ist möglich, weil die winkelmässige Streuung des Lichtes durch das suspendierte Material, z.B. Öltröpfchen und Rost eine Funktion der Verteilung der Konzentration und der Partikelgrösse ist. Im allgemeinen streuen kleinere Partikel Licht um einen grössern Winkel als grössere Partikel. Die Lichtintensität wird daher unter einer Anzahl von Winkeln gemessen, und die Signalstärken werden so berechnet, dass die relative Partikelkonzentration gemessen werden kann. Es ist aber auch möglich, eine Information über die ungefähre Partikelgrösse zu erhalten. Unter der Voraussetzung, dass die Partikelgrössen oder die Brechungsindizes der Komponenten des strömenden Mediums hinreichend unterschiedlich sind, kann daher unter Verwendung einer mehrwinkligen Detektion eine on-line-Diskriminierung gemacht werden.

Insbesondere, aber nicht ausschliesslich im Falle von quadratischen oder rechteckigen Zellen kann die Empfängerelektronik so sein, dass die Detektoren, die Festkörperdetektoren sein können, und die zugehörigen Vorverstärker auf einer einzigen Druckschaltungsplatte montiert werden können, die direkt mit der Zelle verbunden ist. Auf der gleichen Druckschaltungsplatte können auch der Mikroprozessor 14, die Lichtquelle und das Verstärkungsgradregelelement 13 und andere notwendige Elemente montiert sein, so dass sich ein für den Einbau in eine Leitung geeigneter intelligenter Sensor ergibt, dessen Ausgänge mit Anzeige- oder Steuerelementen verbunden werden können.

Während die Streuzellen und die zugehörigen Detektoren, wie sie im oben erwähnten GB-Pat. Nr. 1 588 862 und in der GB-Pat. Anmeldung Nr. 8 206 027 beschrieben wurden, hauptsächlich für die Überwachung von Öl und Partikeln wie Rost oder Schlamm im Wasser entwickelt wurden, können solche Streuzellen und Detektorsysteme in irgendwelchen Rohrsystemen verwendet werden, durch welche relativ transparente Flüssigkeiten befördert werden, wobei wegen des schnellen Ansprechens der Zellen diese besonders geeignet sind für einen on-line-Betrieb in solchen Rohrleitungssystemen. Relativ transparente Flüssigkeiten sind notwendig, da das Licht durch die Zelle übertragen werden muss.

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Es wurde nun festgestellt, dass eine Streuzelle in verschiedenen industriellen Rohrleitungssystemen verwendbar ist, wenn mehr als eine Lichtquelle zusammen mit einer geeigneten Anzahl von Detektoren verwendet wird. Die Verwendung von mehr als einer Lichtquelle ermöglicht, dass eine Mehrzahl von Parametern einer durch das System fliessenden Flüssigkeit gleichzeitig überwacht werden können. Eine solche Streuzelle mit mehreren Quellen ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Es sind zwei Lichtquellen oder Fenster 15, 16 für solche Quellen vorhanden, ferner eine Anordnung von Detektoren oder Fenster für solche Detektoren 17, 18, 19 und 20 zusammen mit einer geeignet angeordneten Blende 21, welche verhindert, dass ungestreutes Licht die Detektoren oder deren Fenster erreicht. Eine andere Form einer Streuzelle mit mehreren Quellen ist in Fig. 3 gezeigt. Bei dieser Anordnung sind zwei Quellen oder Fenster für Quellen 22 und 23 achsial um einen Abstand d längs der Länge des Zellengehäuses 23 angeordnet, wobei die Fliessrichtung durch die Zelle durch den Pfeil A angegeben ist. Zu jeder Quelle oder deren Fenster gehört ein Satz von Detektoren oder Fenster 24, 25 und 26, 27, welche mit den entsprechenden Quellen ausgerichtet sind. Der Abstand der Quellen längs der Länge der Zelle ist für einige Arten von optischen Systemen zur Bestimmung der Durchflussrate notwendig. Optische Verfahren zur Bestimmung der Durchflussrate umfassen unter anderem die Verwendung von Laufzeit, Leistungsspektrum oder Kreuz-Korrelation. Beispiele von Verfahren zur Bestimmung der Durchflussraten von Flüssigkeiten unter Verwendung von Lichtstrahlen sind in den GB-Pat. Anmeldungen 8 206 028 und 8 206 031 beschrieben. In der erstgenannten Anmeldung wird die Geschwindigkeit einer durch ein Rohr fliessenden Flüssigkeit aus Berechnungen der Phasenwinkeldifferenz für unterschiedliche Frequenzwerte zwischen zwei in Fliessrichtung voneinander beabstandeten, durch die Flüssigkeit übertragenen optischen Signale erhalten. Die Neigung der Phasenwinkelkurve hat eine bestimmte Beziehung zur Laufzeit einer bestimmten Störung im FIuss zwischen den beiden optischen Signalen, also zur Fliessgeschwindigkeit. Die elektronische Schaltung zur Durchführung der Fliessgeschwindigkeitsberechnung kann einen Mikroprozessor und eine Schaltung zur Durchführung eine Fourier-Transformation aufweisen. In der zweitgenannten Anmeldung wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, dass ein Lichtsignal beim Durchgang durch einen Flüssigkeitsstrom, wie er beim Fliessen einer Flüssigkeit in einem Rohr vorhanden ist, moduliert wird. Durch Detektion des modulierten Signales und durch Anwendung einer schnellen Fourier-Transformation wird ein Leistungsspektrum erhalten. Die Fliessgeschwindigkeit v kann dann errechnet werden mit Hilfe einer Gleichung v = Kfc, wobei K eine Konstante und fc die Grenzfrequenz für das erste Minimum im Leistungsspektrum ist.

Wenn die zwei oder mehr Quellen einer mehrwinkligen Streuzelle je Licht mit unterschiedlicher Wellenlänge als Eingangslicht verwenden, dann kann eine Farbmessung für die Flüssigkeit erhalten werden. Ein einzelner Sensor mit mehreren Quellen und Mehrfachstreuung erlaubt also zusammen mit einem Mikroprozessor und andern geeigneten Elektronikschaltungen die gleichzeitige on-line-Messung einer Flüssigkeit in be-zug auf z.B. Partikelkonzentration, Farbe und Fliessrate, da der Mikroprozessor mehrere gleichzeitige Berechnungen durchführen kann.

Bei einem solchen Sensor, welcher an sich erforderlich ist zur Messung der Trübung oder der Farbe, kann die Fliessraten-messung verwendet werden für einen einfachen Alarm für Fliessen oder nicht Fliessen. Änderungen im Fliessen können Änderungen bei der Streumessung bewirken, bei kombinierten Messungen für Fliessen und Konzentration kann jedoch eine Kompensation automatisch ausgeführt werden.

Da eine on-line-Messung der Partikelgrösse mit Detektoren unter zwei oder drei Winkeln möglich ist, können grundsätzliche Änderungen der Partikelgrösse beobachtet und zugehörige Alarme gegeben werden. Dies kann z.B. verwendet werden bei Hydraulikflüssigkeiten oder Brennstoffen. Insbesondere kann das Dunklerwerden, wenn die Qualität eines Öles schlechter wird, angezeigt oder es kann das plötzliche Auftreten von grossen Partikeln nach Ausfall eines Filters zum Auslösen eines Alarmes benützt werden.

Die mit der Streuzelle verwendete Elektronik ist im wesentlichen durch die Art der Messung und der erforderlichen Rechnungen bestimmt, sie kann jedoch im wesentlichen gleich sein wie jene in der erwähnten GB-Pat. Anmeldung Nr. 8 206 027 mit der Ausnahme, dass zusätzliche Quellen und Detektoren entsprechende Elektronik erfordern und Fliessratenberechnun-gen entsprechende Rechenmittel notwendig machen. Mit Chips für Mikroprozessoren, rasche Fourier-Transformation und Kreuz-Korrelation sind solche Berechnungen nun mit Mitteln möglich, welche relativ wenig Raum benötigen und daher direkt auf der Streuzelle montiert werden können, so dass damit ein intelligenter on-line-Sensor entsteht.

Eine mögliche Ausführungsform einer elektronischen Schaltung zur Verwendung mit einer mehr winkligen Streuzelle mit mehreren Quellen ist schematisch in Fig. 4 gezeigt und verwendet digitale Verarbeitungstechniken. Jeder Lichtquelle SI, S2 sind drei Detektoren Dil, Di2, D(3 bzw. D2I, D22, Ü23 zugeordnet. Die Ausgangssignale der Detektoren Dil, Di2, Di3 sind über entsprechende Verstärker AI, A2, A3 an zugehörige Ab-tast/Halte-Schaltungen 30, 31, 32 angelegt. Die Ausgangssignale der Detektoren D2I, D22, D23 sind über entsprechende Verstärker A4, A5, A6 an zugehörige Abtast/Halte-Schaltungen 33, 34, 35 angelegt. Die Ausgänge der Detektoren Di 1 und D2I, die zu den direkten Lichtpfaden durch die Zelle gehören, sind auf die entsprechenden Treiberschaltungen LD1 und LD2 zurückgeführt, so dass sich automatische Verstärkungsgradregel-schleifen ergeben, um sowohl Alterung als auch Drift der Lichtquellen zu kompensieren, was eine kontinuierliche Kalibrierung der Detektoranordnung ermöglicht. Die Ausgänge der Abtast/-Halte-Schaltungen 30, 31, 32 und ein Ausgang der Treiberschaltung LD1 sind an einen A/D-Wandler 36 angelegt, während die Ausgänge der Abtast/Halte-Schaltungen 33, 34, 35 und ein Ausgang der Treiberschaltung LD2 an einen A/D-Wandler 37 angelegt sind. Die Wandlerausgänge sind an einen geeignet programmierten Mikroprozessor 38 angelegt, der die geeigneten Chips für allfällig notwendige Fourier-Transformation und für Kreuz-Korrelation enthält und dessen Ausgänge an geeignete Anzeige- und/oder Regelelemente angelegt werden können.

Optische Messtechniken können hoch stabile Messungen in schwieriger Umgebung z.B. für Fluss- und Turbulenzstudien abgeben. Z.B. kann auf optischem Weg ein kleinerers Volumen in einem Fliessprofil als mit Ultraschall erreicht werden, wodurch die Bandbreite von für die Verarbeitung zur Verfügung stehenden Information grösser ist. Die gleichen on-line-Streu-zellen können also verwendet werden für die kontinuierliche und parallele Messung von a) der Fliessrate, b) der Konzentration von drei Komponenten (z.B. Öl, Wasser, Rost) und c) des Fliessprofils. Die Analyse des Leistungsspektrums, die Algorithmen und Steuerfunktionen können alle in einem Mikroprozessorchip ausgeführt werden. Besondere Anwendungen, bei welchen ein solcher intelligenter on-line-Sensor vorteilhaft ist, umfassen die Überwachung von Verdampferkondensat; Überwachung von Partikeln in Reinwasser in der Halbleiterindustrie; Reinraum, Plattenspeicher, Elektronik, Computertechnologie; Überwachung von intravenösen Flüssigkeiten, Überwachung von physiologischer Kochsalzlösung in Spitälern, Überwachung der Abfallemission z.B. von Raffinerien oder Kraftwerken; Ausgangssteuerung von Hydrozyklonen (z.B. kann die Ölkonzentrationsmessung benützt werden zur Steuerung der Ausgangsdüse eines Hydrozyklons). Der Grad der Trennung

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kann abhängig sein von der Partikelgrösse der Öltröpfchen. Die Ausgangsdüse kann verengt oder erweitert werden in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Streuzelle, d.h. der Sensor wird für die Überwachung und die Steuerung verwendet, weiter kann der Sensor in der chemischen und in der Nahrungsmittelindustrie benützt werden, ferner für die Überwachung von Wasser in Ölen und Brennstoffen und zur Überwachung von Wasser in Gasströmen.

Der Sensor kann verwendet werden für die Überwachung von Festkörpern in Gasen und insbesondere zur Detektion eines Salzüberschusses in einem Gasstrom, um Situationen festzustellen, bei welchen die Gefahr besteht, dass Salz auskristallisiert und die Gasmengenmessung nachteilig beeinflusst. Es besteht auch die Notwendigkeit, Wasser in einem Erdgasstrom festzustellen, üblicherweise bei einem Pegel von ungefähr 1.10"^-kg/m3 mit einer Genauigkeit von ± 10%, was mit dem intelligenten Sensor erreicht werden kann. Bei Verwendung des Sensors zur Detektion der Änderung der Partikelgrösse in einem Hydraulikölstrom ergibt sich die Möglichkeit, den Punkt zu identifizieren, bei welchem eine erhöhte Abnützung vorkommt. Bei einer ähnlichen Anwendung zur Überwachung des Öls eines Flugzeugtriebwerkes kann ein voraussichtlicher Triebwerkausfall detektiert werden. Durch Überwachung des Wassergehaltes in Gaskondensaten können Korrosion und andere ungünstige Einwirkungen minimalisiert werden. Partikel in Gasströmen können detektiert werden z.B. nach der Förderung. Der Sensor erlaubt die Detektion von geringen Mengen von Festkörpern in Wasser was von besonderer Wichtigkeit ist bei der Wasserversorgung von Halbleiter-Herstellerwerken.

Der oben beschriebene Sensor verwendet nur eine geringe Anzahl von diskreten Detektoren oder im Zellengehäuse angeordneten Detektorfenstern. Es ist jedoch auch möglich, eine vollständige Anordnung von faseroptischen Detektoren rund s umd die Messzelle vorzusehen. Dadurch wird nicht nur die Auflösung verbessert, sondern es sind auch zusätzliche Informationen erhältlich und es wird der Nachteil der relativ grossen physikalischen Dimensionen von verkapselten Siliziumdetektoren und die Schwierigkeit, diese nahe beieinander zu montieren, io vermieden. Typischerweise haben optische Fasern einen äussern Durchmesser von 200 |im und sie können so um eine Zelle herum angeordnet werden wie dies z.B. in Fig. 5 in einer Lichtleiteranordnung 40 zusammen mit einem Detektorsystem 41 und einem Abtastsystem 42 gezeigt ist. Dies ermöglicht eine konti-15 nuierliche on-line Partikelgrössemessung mit automatischem Auslesen der Vorwärts- und Rückwärts-Streuprofile.

Die Streuzellen und die sie enthaltenden Sensoren sind besonders vorteilhaft für eine kontinuierliche industrielle on-line-Überwachung und für Steueranwendungen und zwar im Hin-20 blick auf deren Robustheit, das Nichtvorhandensein von beweglichen Teilen und die mögliche Genauigkeit und Unterscheidbarkeit unterschiedlicher Partikel. Sie ermöglichen die Überwachung der Konzentration von Partikeln und von Änderung derselben in Prozessströmen und können über einen weitern 25 Bereich von Konzentrationen angewendet werden, z.B. von 0 bis 2 ppm (±0,1 ppm) bei Anwendungen für Prozesswasser in der Halbleiterherstellung bis zu 0 bis 3000 ppm für Balastwas-ser von Tankschiffen oder bis zu 4000 ppm bei sehr dichten Strömen, wie sie in Hydrozyklonen vorkommen.

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3 Blätter Zeichnungen

Claims (3)

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1. Streuzellenanordnung mit einem zum Führen eines Mediumflusses geeigneten Gehäuse (1) in einer vorgegebenen Richtung durch dieses Gehäuse, gekennzeichnet durch ein erstes, am Gehäuse angeordnetes Eingangsfenster (22), durch welches ein erster Lichtstrom in das Gehäuse in einer im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums verlaufenden Richtung eingelassen wird, einer ersten Vielzahl von Ausgangsfenstern (24, 25), welche im Abstand voneinander umfangsmässig über das Gehäuse in einer ersten, mit jenem ersten Eingangsfenster (22) gemeinsamen Ebene verteilt sind, welche im wesentlichen senkrecht zur Richtung des Mediumflusses ist, ein zweites Eingangsfenster (23) auf dem Gehäuse, zum Einlassen eines zweiten Lichtstroms in das Gehäuse in einer im wesentlichen senkrecht zur Richtung des Mediumflusses verlaufenden Richtung, eine zweite Vielzahl von Ausgangsfenstern (26, 27), welche im Abstand voneinander über den Umfang des Gehäuses in einer zweiten, mit jenem zweiten Eingangsfenster gemeinsamen Ebene verteilt sind, welche normal zur Richtung des Mediumflusses liegt, wobei jene erste Ebene bezüglich der Richtung des Mediumflusses in einem bestimmten Abstand (d) von jener zweiten Ebene angeordnet ist, sowie eine Anzahl von Fotodetektoren, welche jener ersten und zweiten Vielzahl von Ausgangsfenstern zugeordnet sind oder diese bilden, sowie einen Mikroprozessor (14), welcher auf Ausgangssignale jener Fotodetektoren anspricht, um Parameter des fliessenden Mediums zu errechnen, wenn dieses durch das Gehäuse fliesst.

2. Streuzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotodetektoren eine Anzahl von optischen Fasern aufweisen, welche in einer Lichtleiteranordnung (40) um jenes Gehäuse (1) herum angeordnet sind.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Streuzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (14) auf jenem Gehäuse (1) montiert ist.