DE2364184C3 - Vorrichtung zur Messung der Trübung von Fluiden mit Licht - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Trübung von Fluiden mit Licht, bei welchem das direkt übertragene Licht und das durch die im I luidum enthaltene Verunreinigung gestreute Licht durch ein einziges photoelektrisches Wandlcrclemcnt abwechselnd gemessen werden und die dabei erhaltenen MeBsignale, welche dem Direkilicht b/w.dem Sireulich' entsprechen, zur Bestimmung cies Trübungsgrades de Fluidums miteinander verglichen weilen.

Aus de: I IS- I¹S 33 98 28b isl ein analytische Instrument für die qualitative und quantitative Best immun;..· von Lösuncssubstanzen oder Suspensionen in einen'.

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 häufige Wartung erforderlich ist.

Aus der DE-OS 20 06 882 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Sichtweite bekannt, wobei von einem Sendegerät elektromagnetische Strahlen ausgesandt und von einem entfernt vom Sendegerät aufgestellten Empfangsgerät aufgenommen und unter Zwischenschaltung eines Verstärkers einem Anzeigegerät zugeleitet werden. Gemäß diesem bekannten Verfahren werden die Direktstrahlen und die durch in der Atmosphäre enthaltenen Bestandteile wie Nebel, Regen, Schnee od. dgl. verursachten Streustrahlen gesondert aufgenommen und ihre Intensität miteinander verglichen. Ein parallel gerichtetes Lichtstrahlenbündel wird von dem Sendegerät in Richtung auf das Empfangsgerät abgestrahlt, wobei das Empfangsgerät eine Optik und einen innenverspiegelten Zylinder mit einer lichtempfindlichen Zelle enthält. An der Eintrittsseite ist der Zylinder durch eine mit zwei Lichteintrittsöffnungen versehene Blende abgeschlossen. Vor der Blende ist eine rotierende Blende angeordnet, die von einem unabhängigen Antrieb angetrieben wird. Das Empfangsgerät kann sich beispielsweise in einer Entfernung von 100 m zum Sendegerät befinden und das parallel gerichtete Lichtstrahlenbündel des Sendegerätes wird mittels einer rotierenden Schlitzblende in Hell-Dunkel-lmpulse moduliert. Diese Hell-Dunkel-lmpulse gelangen zu dem Empfangsgerät und werden hinter der Auffangoptik als Direktlicht auf die Blendenöffnung des Zylinders konzentriert und gelangen schließlich auf die lichtempfindliche Zelle, wo die Lichtimpulse in analoge Stromirnpulse umgeformt werden.

Durch die zweite Blendenöffnung kann die Streu strahlung des vom Sendegerät erzeugten Lichtstrahlen bündels in den Zylinder gelangen, wobei jedoch die dazugehörige Blendenöffnung durch die umlaufende Blende nur periodisch für die Streustrahlung freigegeben wird.

Darüber hinaus ist es beispielsweise aus der US-PS Jb S3 352 bekannt, für die Messung des Triibungsgrades eines Fluidums einen Laserlichistrah! zu verwenden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Auf» abc besteht darin, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art und eine Vorrichtung zur Durchführung d·. -selben zu schaffen, bei ''■ m bzw. bei der f-'ehlerrjiu irii. welche das MeBergebnr nachteilig bei. influssen, weiigehendsi ausgeschaltet sind.

Ausgehend von dem Verfahren der eingangs angegebenen Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daB zwei miteinander kohärente Lichtstrahlen gleicher Intensität aus zwei verschiedenen Richtungen in das zu untersuchende Fluidum durch ein gemeinsames Eintrittsfenster eingestrahlt werden, derart, daß der eine Lichtstrahl geradlinig durch das Eintritts- und ein Austrittsfenster hindurchläuft, während der andere Lichtstrahl unter einem solchen Winkel durch das Eintrittsfenster gelichtet ist, daß er das Austrittsfenster nicht unmittelbar zu erreichen vermag.

Ein wesentlicher Unterschied zwischen dem Verfahren nach der Erfindung und dem Gegenstand der erstgenannten US-Patentschrift besteht somit darin, daß bei der bekannten Vorrichtung kein Vergleich zwischen einem direkt übertragenen Lichtstrahl und einem 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 Durchführung des geschilderten Verfahrens, mit einer Lichtquelle und einer lichtoptischen Einrichtung, um in das zu untersuchende Fluidum Licht einzustrahlen, mil einer photoelektrischen Wandlereinrichtung, um das direkt übertragende 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. 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 7.

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 Ve-fahrens 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 das Verhältnis zwischen diesen beiden Lichtstrahlen nicht geändert und mithin kein Fehler in das Meßc^: _.-.b:i!s eingeführt wird.

Da schließlich kein mit der zu untersuchenden Flüssigkeit in Berührung stehendes bewegbares Element verwendet wird, kann die erfindungsgemäße Vorrich tung auch bei tier Messung von korrodierenden Fluidcn oder von unter hohen Drücken siehenden Fluidcn stabil arbeiten.

Das Verfahrer und die Vorrichtung gemäß der Erfindung eignen sich für die Messung des Trübungsgrads von Seewasser, Abwasser von Fabriken und Flußwasser.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik näher erläutert. Es zeigt

F i g. 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

J° bei der Vorrichtung gemäß F i g. I verwendeten photoelektrischen Wandlerelemente,

F i g. 3 eine schematische Darstellung einer Trübungsmeßvorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung,
Fig.4 Wellenformen zur Erläuterung der Arbeits-

>5 weise der Vorrichtung gemäß F i g. 3 und

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

Bei einem Verfahren zur Messung des Trübungsgrades von Flüssigkeit oder Gas wird das Lambert-Beer-

*° sehe 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.

*5 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 Fig. 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 Wo'framlampe 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 Wandlereleme· ie zu Meßfehlern.

3. Obgleich Hintritts- 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 Fig.3 dargestellten Vorrichtung bezeichnen die Bezugsziffern 3,4,7,9,13,14 und 30 die gleichen Bauteile wie bei der Vorrichtung gemäß F i g. 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 Er7eugung 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 durch das Austrittsfenster 4 hindurchfallende Licht wird über einen reflektierenden Spiegel 26 auf ein photoelektrisches VVandlerelernent 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 236 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 Verhältnisschaltung 9 angekoppelt

Gemäß F i g. 5 ist an der Innenseite des Eintrittsfensters 3 eine Schlitzmaske 33 zur Verhinderung einer Auswirkung des Streulichts auf die Innenfläche des Fensters 3 angeordnet In Fig.4 zeigt die Kurve 1 die Wellenform des Ausgangssignals vom photoelektrischen Wandlerelement 23b, 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 23b fällt und mithin ein kleineres Ausgangssignal erzeugt.

ίο 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 Fig.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 Fig.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 Verunreinigungen verschmutzt ist, wird das Licht, wie durch die strichpunktierten Linien in Fig. 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- odet Fühlspule festgestellt werden kann, die daraufhin ein als Synchronisiersignal verwendetes elektrisches Signal erzeugt Ebenso können anstelle der perforierter Blende 21 elektrisch oder mechanisch betätigte Lichtunterbrechungsglieder für die jeweiligen Strahlengänge vorgesehen sein, welche diese Strahlengänge abwechselnd und periodisch öffnen und schließen unc die Gatterschaltung 27 im Synchronismus mit diesel Unterbrechung und Schließung der Strahlengänge aktivieren und deaktivieren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung der Trübung von Fluiden mit Licht, mit einer Kammer zur Aufnahme eines Fluids, die mit Ein- und Austrittsfenster versehen ist, mit einer Lichtquelle, von der zwei Strahlen gleicher Intensität abgeleitet werden, mit einer optischen Einrichtung, die die beiden Strahlen aus zwei verschiedenen Richtungen in die Kammer lenkt, mit einem photoelektrischen Empfänger und mit einer Einrichtung zur Strahlunierbrechung, welche bewirkt, daß der Empfänger abwechselnd mit gestreutem Licht und mit direkt übertragenem Licht des einen Strahls beaufschlagt wird, d a -durch gekennzeichnet, daß die Licht- quelle (15) ein Laser ist, daß db Einrichtung (21) zur Sirahlunterbrechung zwischen Lichtquelle und Kammer (30) angeordnet ist, und daß die Kammer (30) ein gemeinsames Fenster (3) für den Eintritt und ein gemeinsames Fenster (14) für den Austritt des direkt übertragenen und des gestreuten Lichts aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtunterbrechereinrichtung aus einer mit Perforationen versehenen Scheibe (21) besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an das photoelektrische Wandlerelement (23b) 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.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gatterschaltung (27) zwei Eingangsklemmen besitzt, von denen die eine zur Beaufschlagung mit dem Ausgangssignal vom photoelektrischen Wand'erelement (236) und die andere zum Empfangen eines Synchronisierimpulses geschaltet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Synchronisierimpuls durch eine Umlaufblende (21) sowie eine Lichtquelle (22) und ein photoelektrisches Wandlerelement (23a), die auf gegenüberliegenden Seiten der Umlaufblende angeordnet sind, erzeugbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die getrennten Impulse in jeweils einer Speichereinrichtung (28, 29) speicherbar sind, und daß die Einrichtung zum Vergleichen der getrennten Impulse eine Verhäitnisschaltung (9) zur Bestim mung des Verhältnisses zwischen den Ausgangssignalcn von den Speichereinrichiungen ist.