DD295746A7

DD295746A7 - DEVICE FOR DETERMINING TREATMENT AND PARTICLES IN FLUID MULTIPHASE SYSTEMS

Info

Publication number: DD295746A7
Application number: DD32052488A
Authority: DD
Inventors: Alfred Hoffmann; Andreas Geisenheiner
Original assignee: Bergakademie Freiberg,De
Priority date: 1988-10-06
Filing date: 1988-10-06
Publication date: 1991-11-14

Abstract

Die Erfindung betrifft die simultane Messung der Truebung und der Partikelkonzentration von Fluessigkeiten und ist in Absetz- und Speicherbecken, Groszraumbehaeltern sowie natuerlichen stehenden und flieszenden Gewaessern anwendbar. Erfindungsgemaesz weist ein faseroptischer Sensor an den optischen Wirkungsflaechen des Sensorkopfes, der zwei fingerfoermige einen schmalen Meszspalt bildende Meszflanken besitzt, ein ueber ein Gestaenge bewegbares, zwangsgesteuertes Reinigungselement auf. Zur Sicherung der optischen Wirkungsflaechen gegen aggressive Fluessigkeiten besitzen diese eine entsprechende Verkapselung. Das zwangsgesteuerte Reinigungselement kann ueber ein buegelfoermiges Gestaenge mit einem senkrecht durchbohrten Schwimmer verbunden sein. Bei stationaerem Betrieb des Sensors besitzt das zwangsgesteuerte Reinigungselement ein stabfoermiges Gestaenge, das mit einem Antrieb verbunden ist. Mit der vorliegenden Vorrichtung koennen sowohl in ruhenden als auch in stroemenden Mehrphasensystemen lokal die Truebung und Partikeln stabil und sicher gemessen werden.{Truebung; Partikeln; Fluessigkeit; Messung; Mehrphasensystem; Sensor, faseroptisch; Reinigungselement, zwangsgesteuert; Wirkungsflaechen, optisch; Schwimmer}The invention relates to the simultaneous measurement of Truebung and the particle concentration of liquids and is applicable in settling and storage tanks, Groszraumbehaeltern and natural standing and fluent waters. According to the invention, a fiber-optic sensor has on the optical surfaces of action of the sensor head, which has two finger-shaped measuring flanks forming a narrow measuring gap, a force-controlled cleaning element which can be moved by means of a rod. To ensure the optical Wirkungsflaechen against aggressive fluids they have a corresponding encapsulation. The positively controlled cleaning element can be connected via a lever-shaped linkage with a vertically pierced float. In stationary operation of the sensor, the positively controlled cleaning element has a rod-shaped Gestaenge which is connected to a drive. With the present device, the turbidity and particles can be measured stably and reliably both in static and in flowing multiphase systems. {Turbulence; particles; Liquid; Measurement; Multiphase system; Sensor, fiber optic; Cleaning element, positively controlled; Wirkungsflaechen, optical; Swimmer}

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft die simultane Messung der Trübung und der Partikelkonzentration von Flüssigkeiten. In Absetz- und Speicherbecken (Talsperren), Großraumbehältern sowie natürlichen stehenden und fließenden Gewässern treten vor ailem unter dem Einfluß der Schwerkraft Konzentrations- und Größenverteilungen von organischen und/oder anorganischen Partikeln sowie Organismen auf. Zur Sauberhaltung, Kontrolle und Erforschung der natürlichen Gewässer, zur Steuerung der Wasser- und Abwasseraufbereitung in industriellen und wasserwirtschaftlichen Anlagen sowie zur Überwachung der Sedimentation und Koagulation in Großraumbehältern und Becken ist die Kenntnis und Registratur des Vertteilungszustandes dispergierter Substanzen von Bedeutung.The invention relates to the simultaneous measurement of turbidity and the particle concentration of liquids. In settling and storage reservoirs (reservoirs), large-capacity containers and natural standing and flowing waters, concentration and size distributions of organic and / or inorganic particles as well as organisms occur mainly under the influence of gravity. For the keeping, control and research of natural waters, for the control of water and wastewater treatment in industrial and water management systems as well as for the monitoring of sedimentation and coagulation in large containers and basins, the knowledge and registry of the state of dispersion of dispersed substances of importance.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik Characteristic of the known state of the art

Es ist bekannt, daß die Trübung von Flüssigkeiten und das Vorhandensein von Partikeln in ihnen mit Verfahren und Vorrichtungen auf optischer Grundlage bestimmt werden können.It is known that the turbidity of liquids and the presence of particles in them can be determined with optical-based methods and devices.

In der labortechnischen und industriellen Praxis existieren dafür eine Vielzahl handelsüblicher Trübungsmeßgeräte, die aus der Extinktion eines Lichtstrahles im Fluid dieTrübung messen.In the laboratory and industrial practice, there are a variety of commercially available turbidity meters that measure the turbidity from the extinction of a light beam in the fluid.

Bei den Trübungsmeßgeräten auf der Basis des Vierstrahl-Wechsellichtverfahrens wird die Messung der Konzentration über die Messung der Trübung vorgenommen. Die Messung kann hierbei zwar auf 30 mm reduziert sein, das Meßsignal wird durch das Verfahren jedoch aus den Trübungswerten von vier Durchstrahlungsachsen unterschiedlicher Länge gebildet. Dadurch sind die dispersen Eigenschaften des Mehrphasensystems, wie z.B. Flockengröße und -anzahl im Meßraum zu einem integralen Wert zusammengefaßt. Eine Ermittlung der lokalen Partikelverteilung ist mit dieser Vorrichtung nicht möglich. Bei der Bestimmung von Partikeln in ruhenden Mehrphasensystemen lassen sich die bekannten Meßverfahren in solche mit und solche ohne Probenahme einteilen.In the turbidimeters based on the four-beam alternating light method, the measurement of the concentration is made by measuring the turbidity. Although the measurement can be reduced to 30 mm, the measurement signal is formed by the method from the turbidity values of four transmission axes of different lengths. Thereby the disperse properties of the multiphase system, e.g. Flake size and number summarized in the measuring space to an integral value. A determination of the local particle distribution is not possible with this device. In the determination of particles in stationary multiphase systems, the known measuring methods can be divided into those with and those without sampling.

Von den optischen Verfahren und Vorrichtungen sind darüber hitiaus neben der Laser-Doppleranemometrie, der Streulichtmethode und den Zählverfahren auf der Basis der Feldstörung von Einzelteilchen in den letzten Jahren zunehmend faseroptische Meßverfahren in Erscheinung getreten. So werden in den DD-WP 142473,142606,145874 und 160200 Vorrichtungen beschrieben, die das kontinuierliche Messen der Partikelkonzentration und -größenverteilung im lokalen Meßvolumen eines strömenden Fluids ermöglichen.In addition to the laser Doppler anemometry, the scattered light method and the counting method based on the field disturbance of individual particles, fiber optic measuring methods have increasingly appeared in recent years in optical methods and devices. Thus, DD-WP 142473,142606,145874 and 160,200 devices are described which allow the continuous measurement of the particle concentration and size distribution in the local measuring volume of a flowing fluid.

Im DD-WP 262090 wird erstmalig die verfahrensmäßige Möglichkeit der Simultanmessung von Trübung und Partikelkonzentration auf faseroptischer Grundlage beschrieben. Danach wird über einen Meßkanal an zwei Empfängerkanälen der Trübungskanal mit Wechsellicht und der Konzentrationskanal mit Gleichlicht beaufschlagt. Die Schwierigkeiten solcher Messungen bestehen darin, daß die großflächigen Lichtstrahlquerschnitte zur Trübungsmessung im Interesse einer hohen Stabilität des Meßsignals notwendig, jedoch für eine Auflösung des mit Partikeln beladenen Flüssigkeitsvolumens ungeeignetDD-WP 262090 describes for the first time the procedural possibility of simultaneous measurement of turbidity and particle concentration on a fiber-optic basis. Thereafter, the turbidity channel with alternating light and the concentration channel is exposed to constant light via a measuring channel to two receiver channels. The difficulties of such measurements are that the large-area light beam cross-sections necessary for turbidity measurement in the interest of high stability of the measurement signal, but unsuitable for a resolution of the particle-laden liquid volume

sind. Andererseits gestatten kleine Lichtstrahlquorschnitto zwar die Aufnahme optischer Impulse von den Partikeln, lassen jedoch eine Messung der Fluidtrübung nicht zu.are. On the other hand, although small light beam quorcroses allow the uptake of optical pulses from the particles, they do not permit measurement of fluid turbidity.

Bei den ruhenden Mehrphasensystemen in Becken und Speichern etc. treten infolge des Fehlens laminarer oder turbulenter Scherkräfte spezifische Partikelstrukturen wie Aggregationen oder Flocken auf, die unter dem Einfluß der Erdschwere sedimentieren. Dabei kommt es an den Beckenbegrenzungen, Einbauten und auch Meßsonden zu Ablagerungen, die eine Messung erschweren.In resting multiphase systems in basins and reservoirs, etc., due to the absence of laminar or turbulent shear forces, specific particle structures such as aggregations or flakes sediment under the influence of gravity. It comes at the pool boundaries, fixtures and probes to deposits that complicate a measurement.

Bekannte Trübungsmeßgeräte sind deshalb mit einer Spüleinrichtung bzw. automatischer Selbstreinigung der optischen Wirkungsflächen ausgerüstet. Bekannt sind Wischerreinigungen und Strahlwasserreinigungen. Sie erfordern entsprechende Antriebsmotoren und Druckwasserpumpen und sind deshalb sehr aufwendig und störanfällig. Bei Meßsonden zur Schlammspiegelbestimmung, die über eine Senk-Hubtrieb in Behältern und Becken eingesetzt sind, fehlen diese Reinigungsvorrichtungen.Known turbidity measuring devices are therefore equipped with a rinsing device or automatic self-cleaning of the optical effect surfaces. Wiper cleaning and water jet cleaning are known. They require appropriate drive motors and pressure water pumps and are therefore very expensive and prone to failure. In measuring probes for sludge level determination, which are used via a Senk-Hubtrieb in containers and basins, these cleaning devices are missing.

Andere Prozeß-Trübungssonden verfugen zwar über Reinigungsvorrichtungen, haben aber keinon Senk-Hubtrieb, weil sie in den Auslauf von Kläranlagen stat.onär eingelegt werden, also dort, wo ohnehin infolge der Abströmung des Mehrphasensystems keine größeren Partikelaggregationen mehr auftreten.Although other process turbidity probes are provided with cleaning devices, they do not have a sinking stroke drive because they are loaded stat.onarily into the outlet of sewage treatment plants, ie where large particle aggregations no longer occur anyway due to the outflow of the multiphase system.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, in fluiden Mehrphasensystemen lokal die Trübung und Partikeln (Partikelaggregationen, Flocken etc.) mit vertretbarem technischen und ökonomischen Aufwand stabil und sicher zu messen, um die automatisierte Kontrolle und Steuerung von industriellen und wasserwirtschaftlichen Anlagen im Interesse des Umweltschutzes und der Produktenqualität zu erreichen.The aim of the invention is to measure in turbulent multiphase systems locally the turbidity and particles (particle aggregations, flakes, etc.) with reasonable technical and economic effort stably and safely to the automated control and management of industrial and water management systems in the interests of environmental protection and To achieve product quality.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung auf faseroptischer Basis zu entwickeln, die es gestattet, jeweils einen sauberen und damit definierten Ausgarigszustand der optischen Wirkungsflächen zu erreichen und somit die Trübung als auch eingelagerte Partikeln, Partikelaggregationen und Flocken in ihrer Verteilung über die Beckentiefe oder den jeweiligen Flüssigkeitsquerschnitt quantitativ zu erfassen, ohne daß über längere Betriebszeiträume bei automatischer Kontrolle eine Abschwächung der Meßsignale durch Verschmutzungen auftritt.The invention has for its object to develop a device based on fiber optics, which allows each to achieve a clean and thus defined Ausgarigszustand the optical surfaces of action and thus the turbidity and embedded particles, particle aggregations and flakes in their distribution over the pelvic depth or quantitatively detect the respective liquid cross section, without a weakening of the measurement signals due to contamination occurs over longer periods of operation with automatic control.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der aus mehreren optischen Meßkanälen für Wechsel- und Gleichlicht sowie für Trübungs- und Partikelsignale bestehende faseroptische Sensor an den optischen Wirkungsflächen des Sensorkopfes, der zwei fingerförmige, einen schmalen Meßspalt bildende Meßflanken aufweist, ein über ein Gestänge bewegbares, zwangsgesteuertes Reinigungselement besitzt.According to the invention the object is achieved in that the consisting of a plurality of optical measuring channels for alternating and constant light and turbidity and particle signals fiber optic sensor on the optical surfaces of the sensor head having two finger-shaped, a narrow measuring gap forming measuring edges, a movable via a linkage , positively controlled cleaning element has.

Zur Sicherung der optischen Wirkungsflächen gegen aggressive Flüssigkeiten haben diese eine entsprechende Verkapselung.To secure the optical surfaces against aggressive fluids they have a corresponding encapsulation.

Diese kann durch transparente Quarzscheiben realisiert sein, es kann aber auch der gesamte Sensorkopf aus einem glasklaren organischen Werkstoff bestehen. In diesem Falle sind die Lichtwellenleiter für die Beleuchtung und die Signale mit ihren optischen Wirkungsflächen eingegossen und damit zum Mehrphasensystem hin abgedichtet.This can be realized by transparent quartz disks, but it can also consist of the entire sensor head of a crystal-clear organic material. In this case, the optical waveguides for the illumination and the signals are cast with their optical surfaces of action and thus sealed to the multi-phase system.

Das zwangsgesteuerte Reinigungselement kann über ein bügeiförmiges Gestänge mit einem senkrecht durchbohrten Schwimmer verbunden sein. Der Schwimmer ist um den Sensorschaft durch den Auftrieb nach oben und außerhalb des Mehrphasensystems durch die Schwerkraft nach unten gleitfähig. Bei der Erfassung der lokalen Verteilung von Trübung und Partikeln wird beim Einfahren des faseroptischen Sensors in das Mehrphasensystem und beim Ausfahren jedesmal die Reinigungsvorrichtung den Meßspalt von Ablagerungen reinigen.The positively controlled cleaning element can be connected via a bow-shaped linkage with a vertically pierced float. The float is slidable downwards around the sensor shaft by the lift up and out of the multiphase system by gravity. When detecting the local distribution of turbidity and particles when cleaning the fiber optic sensor in the multi-phase system and when extending each time the cleaning device will clean the measuring gap of deposits.

Der Sensor muß bei seiner Senk-Hubbewegung sowohl getragen als auch elektrisch versorgt werden und eine elektronische Signalabgabe gestatten. Dafür sorgt ein spezielles kombiniertes Trag-, Versorgungs- und Signalkabel, das zwischen dem Sensor und einer Kabeltrommel angeordnet ist.The sensor must be both supported and electrically powered during its lowering-stroke movement and allow electronic signaling. This is ensured by a special combined carrying, supply and signal cable, which is arranged between the sensor and a cable drum.

Bei stationärem Betrieb des Sensors besitzt das zwangsgesteuerte Reinigungselement ein stabförmiges Gestänge. Dadurch kann über einen Antrieb eine Hub· und Senkbewegung realisiert werden, so daß ebenfalls eine Reinigung des Meßspaltes bewirkt wird.For steady-state operation of the sensor, the positively controlled cleaning element has a rod-shaped linkage. As a result, a lifting and lowering movement can be realized by means of a drive, so that likewise a cleaning of the measuring gap is effected.

Zur Versteifung des Sensorkopfes sind in seinen Meßflanken runde Hohlprofile eingegossen, die die Lichtwellenleiter enthalten und an deren Enden die optoelektronischen Bauelemente, d. s. Lichtemitterdioden und Empfängerdioden, angeordnet sind.To stiffen the sensor head round hollow profiles are cast in its measuring flanks, which contain the optical waveguides and at the ends of the optoelectronic components, d. s. Light emitting diodes and receiver diodes are arranged.

Mit der vorliegenden Vorrichtung können sowohl in ruhenden als auch in strömenden Mehrphasensystemen lokal Trübung und Partikeln stabil und sicher gemessen werden, ohne daß Schwächungen der Meßsignale durch Verschmutzung der optischen Wirkungsflächen auftreten.With the present device, turbidity and particles can be measured stably and safely both in stationary and in flowing multiphase systems without weakening of the measurement signals due to contamination of the optical surfaces of action.

Ausführungsbeispielembodiment

Wie die Vorrichtung im einzelnen aufgebaut ist, ergibt sich aus der nachstehenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist. In den zugehörigen Zeichnungen zeigenAs the device is constructed in detail, it follows from the following description and the drawings, in which an embodiment is shown. In the accompanying drawings show

Fig. 1: den faseroptischen Sensor mit Reinigungsvorrichtung und Antrieb Fig. 2: einen Schnitt durch den Sensorkopf.Fig. 1: the fiber optic sensor with cleaning device and drive Fig. 2: a section through the sensor head.

Der faseroptische Sensor weist an seinem Sensorkopf 3 zwei Meßflanken 15 auf, zwischen denen sich der Meßspalt 1 befindet. Die optischen Wirkungsflächen 2 der Lichtwellenleiter für die Beleuchtung und für die Signalo 13 und 14 sind zum Mehrphasensystem durch transparente Quarzscheiben 4 abgedichtet.The fiber optic sensor has at its sensor head 3 on two measuring edges 15, between which the measuring gap 1 is located. The optical effect surfaces 2 of the optical waveguides for the illumination and for the Signalo 13 and 14 are sealed to the multiphase system by transparent quartz discs 4.

Ein senkrecht durchbohrter Schaumstoffkörper als Schwimmer 7 ist gleitfähig um den Sensorschaft 8 angeordnet. An ihm befindet sich ein bügeiförmiges Gestänge 6 mit einem Reinigungselement 5 für den Meßspalt 1. Ein kombiniertes Trag-, Varsorgungs- und Signalkabel verbindet den Sensor über eine Kabeltrommel 10 mit dem Senk-Hubtrieb 11 und der angeschlossenen elektronischen Steuer- und Signalanalyseeinheit 12.A vertically pierced foam body as a float 7 is slidably disposed about the sensor shaft 8. A combined support, Varsorgungs- and signal cable connects the sensor via a cable drum 10 with the lowering lift 11 and the connected electronic control and signal analysis unit 12th

Die Verschmutzung der optischen Wirkungsflächen 2 am Ende der Lichtwellenleiter für die Beleuchtung 13 und die Signale 14 wird einerseits dadurch verhindert, daß die Flächen gegen das Mehrphasensystem mit transparenten Quarzscheiben 4 abgedichtet sind. Andererseits wird bei jedem Senk- und Hubvorgang zur Aufnahme der Meßsignale über die Beckentiefe der Sensor in das ruhen Je Mohrphasensystem ein- bzw. ausgefahren. Dadurch wird beim Eintauchen der senkrecht durchbohrte Schaumstoffkörper durch seinen Auftrieb nach oben und beim Heben aus dem Mehrphasensystem durch die Schwerkraft nach unten bewegt. Die gleitende Bewegung dieses Schaumstoffkörpers vollzieht sich dabei in seiner senkrechten Führung am Sensorschaft 8The contamination of the optical effect surfaces 2 at the end of the optical waveguides for the illumination 13 and the signals 14 is prevented on the one hand by the fact that the surfaces are sealed against the multi-phase system with transparent quartz discs 4. On the other hand, in each lowering and lifting operation for receiving the measurement signals on the pelvic depth of the sensor in the resting je Mohrphasensystem on or extended. As a result, when immersed, the vertically pierced foam body is moved downwards by its buoyancy and when it is lifted out of the multiphase system by gravity. The sliding movement of this foam body takes place in its vertical guide on the sensor shaft. 8

Durch die Bewegung des Reinigungselementes 5 im Meßspalt 1 werden die optischen Wirkungsflächen 2 gereinigt. By the movement of the cleaning element 5 in the measuring gap 1, the optical effect surfaces 2 are cleaned.

Claims

1. A device for the determination of turbidity and particles in fluid multiphase systems, consisting of a fiber optic sensor with a plurality of measuring channels for alternating and constant light and turbidity and particle signals of optical waveguides, light emitter and receiver diodes and preamplifier and cleaning device, characterized in that the optical Action surfaces (2) of a sensor head (3) having two finger-shaped, a narrow measuring gap (1) forming Meßflanken (15), a via a linkage (6) movable, positively controlled cleaning element (5) is arranged.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the optical effect surfaces (2) on the sensor head (3) have an encapsulation for securing the optical effect surfaces (2).

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the encapsulation is realized by transparent quartz glass or that the sensor head (3) consists of a crystal-clear organic material, in which the optical fibers for the illumination and the signals (13) and (14) their optical surfaces (2) poured and thus sealed to the multi-phase system.

4. The device according to claim 1, characterized in that the positively controlled cleaning element (5) via a bügeiförmiges linkage (6) with a vertically pierced float (7) to the sensor shaft (8) by the upward lift and outside of the multi-phase system gravity is arranged to slide downwards, or via a rod-shaped linkage (6) with a lifting and lowering movements realizing drive is connected.

5. The device according to claim ^, characterized in that in the Meßflanken (15) round hollow profiles (16) are cast as stiffeners containing the optical waveguides (13) and (14) and at the ends of the light emitting diodes (17) and the receiver diodes ( 18) are arranged.