DE2364184B2 - Verfahren und vorrichtung zur messung des truebungsgrads von fluiden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Trübung von Fluiden mit Licht, bei welchem das direkt übertragene Licht und das durch die im Fluidum enthaltene Verunreinigung gestreute Licht gemessen werden und die dabei erhaltenen Meßsignale, welche dem Direktlicht bzw. dem Streulicht entsprechen, zur Bestimmung der Trübung des Fluidums miteinander verglichen werden.

Aus der US-PS 33 98 286 ist ein analytisches Instrument für die qualitative und quantitative Bestimmung von Lösungssubstanzen oder Suspensionen in einem Flüssigkeitsstrom bekannt Dabei gelangt eine einzige Lichtquelle zur Anwendung, die über eine Linse Licht in den mittleren Bereich eines Behälters wirft, wobei es sich jedoch um einen einzigen Lichtstrahl handelt. Das von der Lichtquelle stammende Licht wird zwar von einem Spiegel reflektiert, so daß man hierbei von zwei Lichtstrahlen sprechen könnte, jedoch verlaufen die Lichtstrahlen in ein und derselben Richtung. Mit Hilfe dieses bekannten analytischen Instrumentes soll auch nicht der Trübungsgrad eines Fluidums gemessen werden, sondern eine qualitative und quantitative Bestimmung von gelösten Substanzen in einem Flüssigkeitsstrom durchgeführt werden. Zu diesem Zweck wird der Flüssigkeitsstrom vor der Untersuchung desselben atomisiert bzw. verdampft, so daß die Flüssigkeit in Form eines Nebels in den Behälter, in dem die Analyse durchgeführt wird, eintritt. Da sich darüber hinaus sowohl die Lichtquelle als auch das lichtoptische System und auch die Detektoreinrichtung im Inneren des Behälters befinden, besteht die Möglichkeit, daß die betreffenden Einrichtungen sehr schnell verschmutzen oder beschlagen, so daß eine häutige Wartung erforderlich ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art und eine Vorrichtung zur Durchführung desselben zu schaffen, bei dem bzw. bei der Fehlerquellen, welche das Meßergebnis nachteilig beeinflussen, weitgehendst ausgeschaltet sind.

Ausgehend von dem Verfahren der eingangs angegebenen Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei miteinander kohärente Lichtstrahlen gleicher Intensität aus zwei verschiedenen Richtungen in das zu untersuchende Fluidum eingestrahlt werden, daß das direkt übertragene Licht des einen Lichtstrahles und das Streulicht des anderen

Lichtstrahles durch ein einziges photoelektrisches Wandlerelement abwechselnd gemessen und beide Meßergehnisse zur Anzeige gebracht werden.

Bn wesentlicher Unterschied zwischen dem Verfahren nach der Erfindung und dem Gegenstand der genannten US-Patentschrift besteht somit darin, daß bei jer bekannten Vorrichtung kein Vergleich zwischen einem direkt übertragenen Lichtstrahl und finem Streulicht vorgenommen wird, so daß die mit Hilfe der bekannten Vorrichtung erzielbaren Meßergebnisse bereits bei geringer Verschmutzung der lichtoptischen Einrichtung mit einem großen Fehler behaftet sein können, was jedoch durch das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung vermieden wird.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur is purchführung des geschilderten Verfahrens, mit einer Lichtquelle und einer lichtoptischen Einrichtung, um in das zu untersuchende Fiuidum Licht einzustrahlen, mit einer photoeJektrischen Wandlereinrichtung, um das direkt übertragene Licht und das durch die im Fluidum μ enthaltene Verunreinigung gestreute Licht zu messen, und mit einer Auswerteeinrichtung, welche die Ausgangssignale entsprechend dem Direktlicht und dem Streulicht der Wandlereinrichtung miteinander vergleicht. Diese Vorrichtung ist gekennzeichnet durch die beanspruchten Merkmale des Anspruches 2.

Besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Vorrichtung nach der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 3 bis 8.

Beim Verfahren und bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird eine Laser-Lichtquelle mit einer einzigen Wellenlänge und hoher Energie als die Lichtquelle verwendet, wobei die gleichen Abschnitte der Eintritts- und Austrittsfenster für den Durchlaß des direkt übertragenen Lichts und des Streulichts benutzt werden. Weiterhin dient ein einziges photoelektrisches Wandlerelement zur gemeinsamen Feststellung des Direktlichts und des Streulichts, wodurch alle eingangs aufgeführten Nachteile des bekannten Verfahrens und der bekannten Vorrichtung vermieden werden können.

Da der Laserstrahl zudem eine hohe Energie besitzt, ist es insbesondere möglich, auch starke Trübungsgrade zu messen. Da außerdem das Licht des Laserstrahls eine einzige Wellenlänge besitzt, werden das direkt übertragene Licht und das durch den gleichen Abschnitt des Austrittsspiegels hindurchtretende Streulicht auch dann, wenn ein Teil des Lichts des Laserstrahls durch die Verunreinigung absorbiert wird oder wenn die Oberflächen der Eintritts- und Austrittsfenster verschmutzt sind, im gleichen Maß gedämpft, so daß de? Verhältnis zwischen diesen beiden Lichtstrahlen nicht geändert und mithin kein Fehler in das Meßergebnis eingeführt wird. Darüber hinaus wird durch die Verwendung eines einzigen photoelektrischen Wandlerelements für die Feststellung des Direktlichts und des Streulichts die Möglichkeit für Meßfehler beseitigt, die unvermeidbar sind, wenn mehrere photoelektrische Wandlerelemente • ungleicher Charakteristiken angewandt werden.

Da schließlich kein mit der zu untersuchenden Flüssigkeit in Berührung stehendes bewegba.es EIement verwendet wird, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch bei der Messung von korrodierenden Fluiden oder von unter hohen Drücken stehenden Fluiden stabil arbeiten.

Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung eignen sich für die Messung des Trübungsgrads von Seewasser, Abwasser von Fabriken und im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten Vorrichtung zur Messung des Trübungsgrades eines Fluidums auf der Grundlage des Streulichtes,

F i g. 2 eine Darstellung der Anordnung der beiden bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 verwendeten photoelektrischen Wandlerelemente,

F i g. 3 eine schematische Darstellung einer Trübungsmeßvorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung,

Fig.4 Wellenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung gemäß F i g. 3 und

Fig.5 eine im vergrößertem Maßstab gehaltene Barstellung eines Teils der Vorrichtung gemäß F i g. 2.

Bei einem Verfahren zur Messung des Trübungsgrades von Flüssigkeit oder Gas wird das Lambert-Beersche Prinzip angewandt, bei welchem der Grad der Lichtdurchlässigkeit oder -streuung zur Berechnung des Trübungsgrades gemessen wird. Zu diesem Zweck wird am verbreitesten die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung verwendet welche die Lichstreuung ausnutzt

Eine solche Vorrichtung zur Messung des Trübungsgrades einer Flüssigkeit unter Ausnutzung des Streulichts weist eine Lichtquelle 1 in Form einer Wolframlampe, Linsen 2 zum Bündeln des von der Lichtquelle 1 ausgestrahlten Lichts und zur Umwandlung desselben in parallele Lichtstrahlen sowie einen mit einander gegenüberliegenden Glasfenster 3 und 4 versehenen Behälter 30 zur Aufnahme der zu untersuchenden Flüssigkeit 14 auf. Nahe diesen Glasfenstern sind durch einen Ultraschallwellen-Oszillator 11 angeregte Rüttler bzw. Vibratoren 12 zur Erzeugung von Ultraschallwellen zur Reinigung der Glasfenster angeordnet.

An der Außenseite des Austritts-Glasfensters 4 sind photoelektrische Wandlerelemente 5 und 6 angeordnet, die über Verstärker 8 bzw. 7 mit einer Verhältnisschaltung 9 verbunden sind, deren Ausgang mit einem Anzeige-Meßgerät 10 gekoppelt ist. Die verschiedenen, vorstehend erläuterten Bauteile, mit Ausnahme des Ultraschallwellen- Oszillators 11, sind in einem luftdichten Gehäuse 13 untergebracht. Gemäß F ι g. 2 besitzt das photoelektrische Wandlerelement 6 eine Kreisringform, in deren Zentrum das Wandlerelement 5 angeordnet ist.

Die vorstehend beschriebene, bekannte Vorrichtung arbeitet nach folgendem Prinzip: Ihre Arbeitsweise beruht darauf, daß beim Durchgang der Lichtstrahlen von der Lichtquelle 1 durch die zu untersuchende Flüssigkeit 14 die Durchlässigkeit und die Menge des gestreuten Lichts in Abhängigkeit vom Trübungsgrad der Flüssigkeit verlieren. Das im Zentrum angeordnete photoelektrische Wandlerelement 5 spricht auf das durch die Flüssigkeit durchgelassene Licht an, während das ringförmige Wandlerelement 6 auf das Streulicht anspricht Die Verhältnisschaltung 9 bestimmt das Verhältnis zwischen den elektrischen Ausgangssignalen der photoelektrischen Wandlerelemente 5 und 6, wobei dieses Verhältnis durch das Meßgerät 10 angezeigt wird. Dieser bekannten Vorrichtung haften jedoch die folgenden Nachteile an:

1. Da eine Wolframlampe als Lichtquelle 1 benutzt wird, sind die Lichtbündelungseigenschaften und die Lichtenergie so gering, daß eine Messung hoher Trübungsgrade nicht möglich ist.

2. Da zwei photoelektrische Wandlerelemente 5 und 6 verwendet werden, führen die Unterschiede in den

anfänglichen Eigenschaften, den Temperaturcharakteristiken und den Alterungseigenschaften der beiden Wandlerelemente zu Meßfehlern.

3. Obgleich Eintritts- und Austrittsfenster 3 bzw. 4 ständig durch Ultraschallwellen gereinigt werden, sind sie nach längerer Zeit dennoch einer Verschmutzung unterworfen. Die durch diese Fenster durchgelassene Lichtmenge nimmt daher teilweise oder vollständig ab. wodurch Meßfehler eingeführt werden.

4. Da eine Wolframlampe als Lichtquelle 1 verwendet wird, ist die Spektrumsverteilung des von der Lampe ausgestrahlten Lichts so breit, daß im Fall von in der Flüssigkeit enthaltenen Stoffen, die Licht bestimmter Wellenlängen absorbieren, Meßfehler unvermeidbar sind.

Bei der in F i g. 3 dargestellten Vorrichtung bezeichnen die Bezugsziffern 3,4,7,9,13,14 und 30 die gleichen Bauteile wie bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1. Bei der dargestellten Ausführungsform besitzt die Lichtquelle die Form eines Laser-Oszillators 15, welcher parallele Laser-Lichtstrahlen erzeugt. Das Laserlicht wird einerseits über einen halbdurchlässigen Spiegel 16 und einen reflektierenden Spiegel 18 und andererseits über reflektierende Spiegel 17 und 19 auf das Eintrittsfenster

3 geworfen. Eine Blende 21 in Form einer undurchlässigen, kreisförmigen, mit nicht dargestellten Perforationen versehenen und durch einen Elektromotor 20 angetriebenen Scheibe ist quer über die beiden Strahlengänge hinweg angeordnet. Auf gegenüberliegenden Seiten der Blende 21 sind eine elektrische Lampe 22 und ein photoelektrisches Wandlerelement 23a zur Erzeugung eines Synchronisierstroms angeordnet. Das Austrittsfenster 4 ist so angeordnet, daß es das durch den Spiegel 19 reflektierte und unmittelbar durch die Flüssigkeit 14 hindurchfallende Licht empfängt. Das 3s durch das Austrittsfenster 4 hindurchfallcnde Licht wird über einen reflektierenden Spiegel 26 auf ein photoelektrisches Wandlerelement 236 geworfen. Eines der Teilchen, die in der Flüssigkeit oder im Gas 14 suspendiert sind und die Trübung verursachen, ist bei 24 angedeutet wobei das vom Spiegel 18 reflektierte Licht auf das Teilchen 24 auftrifft und dadurch gestreut wird. Ein Teil dieses Streulichts wird über das Austrittsfenster

4 und eine Sammellinse 25 auf das photoelektrische Wandlerelement 23f> geworfen. Das Ausgangssignal vom Wandlerelement 236 wird über den Verstärker 7 an den einen Eingang einer Gatterschaltung 27 angekoppelt, während das Ausgangssignal vom anderen Wandlerelement 23a an den anderen Eingang der Gatterschaltung 27 angelegt wird. Die beiden Ausgangssignale von der Gatterschaltung 27 werden über Speicherschaltungen 28 bzw. 29 an die Verhältnisschaltang 9 angekoppelt

Gemäß F i g. 5 ist an der Innenseite des Eintrittsfensters 3 eine Schlitziraske 33 zur Verhinderung einer Auswirkung des Streulichts auf die Innenfläche des Fensters 3 angeordnet In F i g. 4 zeigt die Kurve 1 die Wellenform des Ausgangssignals vom photoelektrischen Wandlerelen-ent 23fc, während die Kurven 2 und 3 die Wellenformen der Ausgangssignale der Gatterschaltung 27 zeigen.

Im Betrieb der Vorrichtung werden die von den reflektierenden Spiegeln 18 und 19 reflektierten Lichtstrahlen in verschiedenen Richtungen durch das Eintrittsfenster 3 hindurch geworfen. Da die vom Spiegel 19 reflektierten Lichtstrahlen längs einer geraden Linie durch das Fluidum 14 hindurchfallen, erzeugen sie ein großes Ausgangssignal im Wandlerelement 236. Dagegen werden die vom Spiegel 18 reflektierten Laserlichtstrahlen durch die im Fluidum enthaltenen Teilchen gestreut, wobei nur ein Teil des Streulichts auf das Wandlerelement 236 fällt und mithin ein kleineres Ausgangssignal erzeugt.

Wenn die von den Spiegeln 18 und 19 reflektierten Lichtstrahlen durch die Blende 21 abwechselnd unterbrochen werden, besteht das Ausgangssignal vom Wandlerelement 236, wie in der Kurve 1 von F i g. 4 dargestellt, aus einander abwechselnden Impulsen, die einmal das direkt übertragene Licht und zum anderen das Streulicht darstellen.

Obgleich in der Zeichnung nicht dargestellt, ist die Blende 21 neben den Perforationen zur Unterbrechung der durch die Spiegel 18 und 19 reflektierten Lichtstrahlen an ihrem Umfangsabschnitt zwischen der Lampe 22 und dem photoelektrischen Wandlerelement 23a mit einer weiteren Reihe von Perforationen zur Erzeugung eines Synchronisiersignals versehen, welches dem einen Eingang der Gatterschaltung 27 aufgeprägt wird. Infolgedessen wird das Ausganssignal vom Wandlerelement 236 in eine Komponente, welche gemäß der Kurve 2 von F i g. 4 das direkt durchgelassene Licht darstellt, und in eine Komponente zerlegt, welche gemäß der Kurve 3 von F i g. 4 das Streulicht darstellt. Diese Komponenten werden in den Speicherschaltungen 28 bzw. 29 gespeichert, und das Ausgangssignal von der Verhältnisschaltung 9, welches das Verhältnis zwischen den Spannungen der Speicherschaltungen 28 und 29 angibt, entspricht dem Trübungsgrad des Fluidums 14, der durch ein Anzeige-Meßgerät 10 angezeigt wird.

Wenn die Innenfläche des Eintrittsfensters 3 durch die im Fluidum 14 enthaltenen Verunreinigun.r"n verschmutzt ist, wird das Licht wie durch die strichpunktierten Linien in F i g. 5 angedeutet gestreut so daß Fehler in das Meßergebnis eingeführt werden. Durch Anordnung der Maske 33 mit Perforationen, welche nur das für die Messung benutzte Licht durchlassen, vor dem Fenster 3 kann jedoch die Auswirkung des Streulichts ausgeschaltet und mithin der Meßfehler vermieden werden.

Für die Erzeugung des Synchronisiersignals, welches zur Ansteuerung der Gatterschaltung 27 dient, kann auch eine andere zweckmäßige Anordnung als die dargestellte angewandt werden. Beispielsweise kann als Synchronisiersignal eine Frequenz benutzt werden, die durch Teilen der Frequenz der zur Speisung des Antriebsmotors 20 der Blende 21 dienenden Netzspannung erhalten wurde. Wahlweise kann ein Magnet am Umfang der Blende 21 angebracht sein, so daß die Position des Magneten durch eine Abtast- oder Fahlspule festgestellt werden kann, die daraufhin ein als Synchronisiersignal verwendetes elektrisches Signal erzeugt Ebenso können ansteile der perforierten Blende 21 elektrisch oder mechanisch betätigte Uchtunterbrechungsglieder fur die jeweiligen Strahlengänge vorgesehen sein, welche diese Strahlengänge abwechselnd und periodisch öffnen und schließen und die Gatterschaltung 27 im Synchronismus mit dieser Unterbrechung und Schließung der Strahlengange aktivieren und deaktivieren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung der Trübung von Fluiden mit Licht, bei welchem das direkt übertragene Licht und das durch die im Fluidum enthaltene Verunreinigung gestreute Licht gemessen werden und die dabei erhaltenen Meßsignale, welche dem Direktlicht bzw. dem Streulicht entsprechen, zur gestimmung der Trübung des Fluidums miteinander verglichen werden, dadurch gekennzeichn e t, daß zwei miteinander kohärente Lichtstrahlen gleicher Intensität aus zwei verschiedenen Richtungen in das zu untersuchende Fluidum eingestrahlt werden, daß das direkt übertragene licht des einen Lichtstrahles und das Streulicht des anderen Lichtstrahles durch ein einziges photoelektrisches Wandlerelement abwechselnd gemessen und beide Meßergebnisse zur Anzeige gebracht werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Lichtquelle und einer lichtoptischen Einrichtung, um in das zu untersuchende Fluidum Licht einzustrahlen, mit einer photoelektrischen Wandlereinrichtung, um das direkt übertragene Licht und das durch die im Fluidum enthaltene Verunreinigung gestreute Licht zu messen, und mit einer Auswerteeinrichtung, welche die Ausgangssignale entsprechend dem Direktlicht und dem Streulicht der Wandlereinrichtung miteinander vergleicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Laser (15) ist, daß eine lichtoptische Einrichtung (16,17) den Laser-Lichtstrahlen in zwei Strahlen teilt, daß eine im Strahlengang der zwei Laser-Lichtstrahlen angeordnete Lichtunterbrechereinrichtung (21) die zwei Laser-Lichtstrahlen abwechselnd unterbricht, daß iine Lichtablenkeinrichtung (18, 19), die zwei unterbrochenen Laser-Lichtstrahlen aus zwei unterschiedlichen Richtungen in das zu untersuchende Fluidum wirft, und daß ein einziges photoelektrisches Wandlerelement (230) vorgesehen ist, welches abwechselnd das direkt durch das F'uidum übertragene Licht des einen Laser-Lichtstrahles und das Streulicht des anderen Laser-Lichtstrahles empfängt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtunterbrechereinrichtung aus einer mit Perforationen versehenen Scheibe (21) besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, mit einem das Fluidum enthaltenden, mit einem Eintritts- und einem Austrittsfenster versehenen Behälter, dadurch gekennzeichnet, daß der eine der unterbrochenen Laser-Lichtstrahlen geradlinig durch das Eintritts-(3) und das Austrittsfenster (4) hindurch verläuft, während der andere unterbrochene Laser-Lichtstrahl unter einem solchen Winkel durch das Eintrittsfenster (3) gerichtet ist, daß er das Austrittsfenster (4) nicht unmittelbar zu erreichen vermag.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an das photoelektrische Wandlerelement (236) eine Gatterschaltung (27) angeschaltet ist, die durch ein von der Umlaufblende erzeugtes Synchronisiersignal aktivierbar und deaktivierbar ist, um die einander abwechselnden Impulse voneinander zu trennen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gatterschaltung (27) zwei Ein-

gangsklemmen besitzt, von denen die eine zur Beaufschlagung mit dem Ausgangssignal vom photoelektrischen Wandlerelement (23i>) und die andere zum Empfangen eines Synchronisierimpulses geschaltet ist

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Synchronisierimpuls durch eine Umlaufblende (21) sowie eine Lichtquelle (22) und ein photoelektrisches Wandlereiement (23a), die auf gegenüberliegenden Seiten der Umlaufblende angeordnet sind, erzeugbar ist

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die getrennten Impulse in jeweils einer Speichereinrichtung (28, 29) speicherbar sind, und daß die Einrichtung zum Vergleichen der getrennten Impulse eine Verhältnisschaltung (9) zur Bestimmung des Verhältnisses zwischen den Ausgangssignalen von den Speichereinrichtungen ist