DD262090A1 - METHOD FOR SIMULTANEOUS MEASUREMENT OF TURBIDITY AND PARTICLE CONCENTRATION OF LIQUIDS - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur simultanen Messung der Truebung und der Partikelkonzentration von Fluessigkeiten, das zur Ueberwachung und gezielten Beeinflussung natuerlicher und kuenstlicher Gewaesser sowie teilchenbeladener Fluessigkeiten anwendbar ist. Die Partikeln koennen organischer und/oder anorganischer Art sein. Erfindungsgemaesse werden in einer getruebten und mit Partikeln beladenen Fluessigkeit ueber einen optischen Messkanal an zwei optisch unterschiedlichen Empfaengerkanaelen der Truebungskanal mit Wechsellicht und der Konzentrationskanal mit Gleichlicht beaufschlagt. Dabei besteht der Truebungskanal aus einem grossflaechigen Lichtleitbuendel und der Konzentrationskanal aus einer einzelnen Lichtleitfaser. Wechsel- und Gleichlicht gelangen ueber einen optischen Messkanal als paralleles Strahlenbuendel durch den Messraum an die Empfaengerkanaele. Die entsprechenden Messsignale werden optoelektronisch gewandelt und angezeigt.Method for the simultaneous measurement of turbidity and particle concentration of liquids, which is applicable for the monitoring and targeted influencing of natural and artificial waters as well as particle laden liquids. The particles may be of organic and / or inorganic nature. According to the invention, the turbidity channel and the concentration channel are exposed to light in a turbid liquid laden with particles via an optical measuring channel at two optically different receiver channels. Here, the Truebungskanal consists of a großflächigen Lichtleitbuendel and the concentration channel of a single optical fiber. Alternating and constant light pass through an optical measuring channel as a parallel beam through the measuring space to the receiver channels. The corresponding measuring signals are converted opto-electronically and displayed.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur simultanen Messung der Trübung und der Partikelkonzentration von Flüssigkeiten, das zur Überwachung und gezielten Beeinflussung natürlicher und künstlicher Gewässer sowie in Leitungen eingeschlossener teilchenbeladener Flüssigkeiten, die sowohl strömen als auch ruhen können, einsetzbar ist. Zu den Anwendungsobjekten zählen u.a. Speicherbecken, Absetzbehälter, Rohrleitungen, Kanäle und verfahrenstechnische Apparate. Die Partikeln können organischer und/oder anorganischer Art sein.The invention relates to a method for the simultaneous measurement of turbidity and the particle concentration of liquids, which can be used for monitoring and deliberately influencing natural and artificial waters as well as particle-laden liquids enclosed in conduits which can both flow and rest. Application objects include i.a. Storage tanks, settling tanks, pipelines, channels and process engineering apparatus. The particles may be organic and / or inorganic.
Es ist bekannt, mittels unterschiedlicher optischer Verfahren die Trübung oder die Partikelkonzentration in Flüssigkeiten zu "bestimmen.It is known to determine the turbidity or the particle concentration in liquids by means of different optical methods.
Es sind zahlreiche industriell gefertigte Trübungsmeßgeräte in der Praxis in Anwendung. Die Trübung wird aus der Extinktion eines parallelen Licrtbündels, das die Flüssigkeit mit einem relativ großflächigen Bürtdelquerschnitt durchsetzt, erhalten. Die Länge der Meßstrecke beträgt einige cm bei einem Bündelquerschnitt in der Größenordnung von einigen cm2. Die bekannten Trübungsmeßgeräte gestatten auf Grund des großen Meßvoiumens keine Auflösung der dispersen Eigenschaften der beladenen Flüssigkeiten, wie sie beispielsweise als lokale Partikelkonzentrationen vorliegen.Numerous industrially manufactured turbidity meters are in use in practice. The turbidity is obtained from the extinction of a parallel bundle of ligands penetrating the liquid with a relatively large brushing cross-section. The length of the test section is a few cm with a bundle cross section in the order of a few cm 2 . The known turbidity measuring devices do not permit the disperse properties of the loaded liquids to be resolved, for example as local particle concentrations, due to the large volume of the sample.
Es ist aber auch bekannt, mit Hilfe von optischen Verfahren, die auf Grund ihres kleinen Meßvolumens für einzelne Teilchen empfindlich sind, die lokalen Partikelkonzentrationen in Flüssigkeiten zu erfassen. Zu diesen optischen Verfahren zählen die Laser-Doppleranemometrie, Streulichtzählverfahren und auch die faseroptischen Meßmethoden. Solche faseroptischen Meßverfahren werden z.B. in den DD-WP 142473,160200 und 216802 beschrieben. So wird nach dem DD-WP 142473 das kontinuierliche Messen der lokalen Teilchengrößenverteilung in einem Strömungsmittel vorgeschlagen. Dazu wird eine kombinierte Absorptions-/Reflexionssonde in die Mehrphasenströmung gebracht. In Abhängigkeit von der Teilchengröße und dem optischen Reflexionsvermögen werden Meßimpulse erhalten und zur Anzeige gebracht.However, it is also known to detect the local particle concentrations in liquids by means of optical methods that are sensitive to individual particles because of their small measuring volume. These optical methods include laser Doppler anemometry, scattered light counting methods and also the fiber optic measuring methods. Such fiber optic measuring methods are e.g. described in DD-WP 142473, 160200 and 216802. Thus, according to DD-WP 142473 continuous measurement of the local particle size distribution in a fluid is proposed. For this purpose, a combined absorption / reflection probe is brought into the multiphase flow. Depending on the particle size and the optical reflectivity, measuring pulses are obtained and displayed.
Nach dem DD-WP 160200 ist eine Vorrichtung zur Messung der lokalen Größen- und Konzentrationsverteilung in Mehrphasenströmungen unter Nutzung von elektronischen Wandlern, entsprechenden Modulen und austauschbaren Koppellichtleitbündeln bekannt. Auf Grund ihrer dispersen Empfindlichkeit gibt es bei diesen genannten lokalen Meßverfahren Probleme, wenn man sie zur Bestimmung der Trübung von Flüssigkeiten einsetzen will. Besonders bei geringen Trübungen wird das Meßsignal instabil und liefert damit keine reproduzierbaren Ergebnisse.According to DD-WP 160200, a device for measuring the local size and concentration distribution in multiphase flows using electronic transducers, corresponding modules and interchangeable Koppellichtleitbündeln is known. Due to their disperse sensitivity, there are problems with these mentioned local measuring methods if they are to be used for determining the turbidity of liquids. Especially at low turbidity the measurement signal becomes unstable and thus does not provide reproducible results.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die Trübungsmeßmethoden nicht zur Bestimmung lokaler Partikelkonzentrationen und lokale Meßmethoden zur Bestimmung der Teilchenkonzentration nicht zur Messung des gesamten Trübungsbereiches der Flüssigkeiten, insbesondere bei geringen Trübungen, einsetzbar sind.In summary, it can be stated that turbidity measuring methods can not be used to determine local particle concentrations and local measuring methods for determining the particle concentration can not be used to measure the entire turbidity range of the liquids, in particular at low turbidities.
Ziel der Erfindung ist es, die simultane Messung derTrübung und der Partikelkonzentrationen von Flüssigkeiten mit hoher Genauigkeit bei geringem zeitlichen und technisch-ökonomischen Aufwand zu ermöglichen.The aim of the invention is to enable the simultaneous measurement of turbidity and the particle concentrations of liquids with high accuracy with little time and technical-economic effort.
Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, eine simultane Messung sowohl derTrübung über den gesamten Trübungsbereich als auch der Partikelkonzentration bei Gewährleistung relativ kleiner Meßvolumina zu ermöglichen. Es war nicht zu vermuten, daß bereits ab einem optischen Querschnitt von ca. 3 mm2 im Meßkanal einer faseroptischen Meßanordnung eine stabile Messung im unteren Trübungsbereich von Flüssigkeiten möglich ist.The invention is based on the technical object of enabling simultaneous measurement of both turbidity over the entire turbidity range and the particle concentration while ensuring relatively small measurement volumes. It was not to be assumed that a stable measurement in the lower turbidity range of liquids is already possible from an optical cross section of about 3 mm 2 in the measuring channel of a fiber optic measuring arrangement.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in einer getrübten und mit Partikeln beladenen Flüssigkeit über einen optischen Meßkanal an zwei optisch unterschiedlichen Empfängerkanälen der Trübungskanal mit Wechsellicht und der Konzentrationskanal mit Gleichlicht beaufschlagt werden. Der Trübungskanal besteht aus einem relativ großflächigenAccording to the invention the object is achieved in that are applied in a turbid and particle-laden liquid via an optical measuring channel to two optically different receiver channels of the turbidity channel with alternating light and the concentration channel with constant light. The turbidity channel consists of a relatively large area
Lichtleitbündel mit einer Querschnittsfläche von einigen mm2. Der Konzentrationskanal wird durch eine einzelne Lichtleitfaser mit einer Querschnittsfläche von weniger als 0,1 mm2 gebildet.Lichtleitbündel with a cross-sectional area of a few mm 2 . The concentration channel is formed by a single optical fiber with a cross-sectional area of less than 0.1 mm 2 .
Das schmalbandige intensitätsmodulierte Wechsellicht und das Gleichlicht mit konstanter breitbandiger Lichtintensität gelangen über einen optischen Meßkanal als paralleles Strahlenbündel durch den Meßraum an die Empfängerkanäle. Das Trübungssignal wird über Lichtleitfasern zu einer Fotodiode geführt, optoelektronisch gewandelt und zur analogen und/oder digitalen Spannungsanzeige gebracht.The narrow-band intensity-modulated alternating light and the constant light with constant broadband light intensity pass through an optical measuring channel as a parallel beam through the measuring space to the receiver channels. The turbidity signal is guided via optical fibers to a photodiode, converted optoelectronically and brought to the analog and / or digital voltage display.
Das Konzentrationssignal gelangt über die einzelne Lichtleitfaser zu einem Fototransistor, wird optoelektronisch gewandelt und einem Teilchenzähler zugeführt.The concentration signal passes via the individual optical fiber to a phototransistor, is converted opto-electronically and fed to a particle counter.
Bei geringsten Trübungen wird über eine Wechsellichtquelle einem" als Lichtleitfaser ausgeführten Referenzkanal Licht zu einer gesonderten Fotodiode geführt, optoelektronisch gewandelt und mit dem Trübungssignal aus dem Fluid verglichen.At the slightest turbidity, a light source "running as optical fiber reference channel light is guided to a separate photodiode, converted optoelectronically and compared with the turbidity signal from the fluid via a changing light source.
Mit dem vorliegenden Verfahren zur simultanen Messung der Trübung und der Partikelkonzentration von Flüssigkeiten wurde eine Möglichkeit geschaffen, beide Größen bei geringem Meßaufwand in einer Vorrichtung aus bekannten Baugruppen zu ermitteln.With the present method for the simultaneous measurement of turbidity and the particle concentration of liquids, a possibility has been created to determine both variables with low measurement effort in a device of known assemblies.
Die Erfindung soll an nachfolgendem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail in the following embodiment.
In einer Rohrleitung soll eine organische Flüssigkeit auf ihre Trübung und Konzentration von Partikeln überwacht werden. Dazu wird über einen als Stablinse ausgebildeten optischen Sender Licht in die Flüssigkeit eingebracht. Dieses Licht gelangt über Lichtleitfasern von einem Faserkoppler zur Stablinse. Dieser Faserkoppler ist wiederum mit Lichtleitfasern mit zwei unabhängigen Lichtquellen verbunden. Eine intensitätsmodulierte Lichtquelle liefert Licht der Wellenlänge λι und eine Gleichlichtquelle mit konstanter Intensität liefert bei breitbandiger Abstrahlung ein Licht der Wellenlänge A2. Das von der Stablinse abgestrahlte kohärente Lichtbündel durchdringt die Flüssigkeit und trifft auf einen zweikanaligen optischen Empfänger.In a pipeline, an organic liquid is to be monitored for its turbidity and concentration of particles. For this purpose, light is introduced into the liquid via an optical transmitter designed as a rod lens. This light passes via optical fibers from a fiber coupler to the rod lens. This fiber coupler is in turn connected to optical fibers with two independent light sources. An intensity-modulated light source provides light of wavelength λι and a constant light source with constant intensity delivers a broadband emission of the wavelength A 2 . The coherent light beam emitted by the rod lens penetrates the liquid and impinges on a two-channel optical receiver.
Beim Auftreten einer Trübung der Flüssigkeit wird das Wechsellicht in seiner Intensität abgeschwächt, d.h. absorbiert und von einem großflächigen optischen Meßkanal aufgenommen. Die in der Flüssigkeit auftretenden Partikeln erzeugen im Gleichlicht an dem anderen kleinflächigen Meßkanal Absorptionsimpulse. Die beiden sich unterscheidenden Signale werden über Lichtleitfasern unterschiedlichen Signalwandlern zugeführt. Das Trübungssignal wird beispielsweise digital als Spannungsabfall angezeigt, während das Konzentrationssignal.auf einem Impulszähler als Impulsrate zur Anzeige gebracht wird..Beim Nachweis geringer Trübungsunterschiede kann die Signalstabilität durch Einsatz eines Referenzkanals erhöht werden.When turbidity of the liquid occurs, the intensity of the change is attenuated, i. absorbed and absorbed by a large-scale optical measuring channel. The particles which occur in the liquid produce absorption pulses in the constant light at the other small-area measuring channel. The two differentiating signals are fed via optical fibers to different signal transducers. For example, the turbidity signal is displayed digitally as a voltage drop, while the concentration signal is displayed on a pulse counter as a pulse rate. When detecting minor differences in turbidity, signal stability can be increased by using a reference channel.
Es ist auch möglich, durch Verwendung von optischen Filtern jeweils nur die eine oder andere Meßgröße zur Verarbeitung zuIt is also possible to use only one or the other measured variable for processing by using optical filters
bringen. ' *bring. '*
Der Vorteil der simultanen oder auch quasi-simultanen Messung von Trübung und Partikelkonzentrationen in beliebigen Flüssigkeiten besteht darin, daß komplexe Aussagen sowohl hinsichtlich ihrer physikalisch-chemischen als auch ihrer physikalischen Beschaffenheit mit nur einem Verfahren ermittelt werden können.The advantage of the simultaneous or even quasi-simultaneous measurement of turbidity and particle concentrations in any liquids is that complex statements can be determined both in terms of their physical-chemical and their physical nature with only one method.
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