DE2747698A1 - Messystem - Google Patents

Description

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Meßsystem

Die Priorität der Anmeldung Nr. 45 204/76 vom 29. Oktober 1976 in Großbritannien wird beansprucht.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung des Grades der ölverschmutzung in Hasser und insbesondere ein Meßsystem für Infrarotstreulicht.

In vielen Situationen, wie z. B. beim Auspumpen des Wasserbalastes aus einem öltanker, ist es erforderlich, den Grad der ölverschrautzung in dem abströmenden Wasser su bestimmen. Das allgemein in <Ser For» von fein dispergierten Tröpfchen vorliegende Qi wird vielfach so gemessen, daß Licht aus einer diffusen Lichtquelle durch das Hasser geleitet und das entstehende Streulicht unter einem bestimmten Winkel zum einfallenden Strahl bestimmt wird. Obgleich dieses Verfahren einfach und durchaus wirkungsvoll ist, besitzt es den Nachteil, daß die Ablagerung von Schmutz auf dem Meßsystem die Intensität des einfallenden Lichtes verringert und somit falsche Werte verursacht. Darüberhinaus ist es schwierig, mit herkömmlichen Lichtquellen einen hinreichend intensiven Lichtstrahl, der auf einen niedrigen Olgehalt anspricht, für den Detektor zu erzeugen. Ein solcher Detektor gibt auch falsche Werte, wenn suspendierte Feststoffe wie z. B. Rostteilchen in dem Flüssigkeitsstrom anwesend sind.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Meßsystem anzugeben, das gegenüber solchen Störungen unempfindlich ist

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und somit genauere Werte liefert.

Die Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Erfindung gelöst.

Die Erfindung besteht demnach aus einem Meßsystem zur Bestimmung von öl in Wasser, das aus einer wasserdurchströmten Zelle besteht, ferner einen Halbleiterlaser aufweist, der im Infrarotbereich des Spektrums betrieben wird und an der einen Seite der Zelle angeschlossen ist, und das einen Photodetektor oder mehrere Photodetektoren enthält,die in einem Winkel zum Laserstrahl angeordnet ist/sind, die das von den in dem Wasser vorliegenden öltröpfchen gesteuerte Laserlicht messen.

In einer weiteren Ausbildungsform kann mit dem Meßsystem eine ölverschmutzung in Wasser festgestellt und gemessen werden, das in einer Leitung fließt, wobei der Halbleiterlaser im Infrarotbereich des Spektrums betrieben und an der einen Seite der Leitung sitzt, während ein erster Photodetektor auf der gegenüberliegenden Seite der Leitung angeordnet ist und mit dem Laserstrahl fluchtet, und ein weiterer Photodetektor oder mehrere Photodetektoren in einem Winkel zum Laserstrahl angebracht sind, um das von den öltröpfchen gestreute Infrarotlicht zu bestimmen. Ferner ist eine variable Verstärkerregelung an den Streulichtdetektor oder die Detektoren angeschlossen, in der die Verstärkerzunahme durch das Ausgangssignal des ersten Detektors gesteuert wird, um das Ausgangssignal oder die Ausgangssignale der anderen Detektoren im Hinblick auf den Ausgang des Lasers in dem Wasser zu kompensieren.

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Festkörperlaser vom z. B. Galliumaluminiumarsenidtyp können im Infrarotbereich bei einer Wellenlänge von 8500 bie 9200 8 betrieben werden und sind bestens geeignet, einen intensiven monochromatischen Lichtstrahl für die Streulichtmessungen zu liefern. Indem die Messungen bei Infrarotfrequenzen und einen verhältnismäßigen engen Winkel zum einfallenden Strahl durchgeführt werden, läßt sich darüberhinaus die Wirkung der Rostteilchen in dem Flüssigkeitsstrom weitgehend herabsetzen, in manchen Fällen auf einen Bruchteil.

Eine Ausbildungsform der Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es stellen dar:

Fig. 1 ein Schema eines mit Infrarotlicht arbeitenden

ölmeßsystem, das sowohl die Absorbtions- wie die ' Streumeßtechnik verwendet,

Fig. 2 die Einzelteile der Detektorzelle des Meßsystems nach Fig. 1,

Fig. 3 die Verstärkerschaltung des Detektors nach Fig. 1,

Fig. 4 die Schaltung, mit deren Hilfe der Infrarotlaser des Detektors nach Fig. 1 betrieben wird und

Fig. 5 die vom Detektor nach Fig. 1 gelieferten Meßwerte bei verschiedenen Arten von Rohöl.

In den Fig. 1 und 2 ist das ölmeßsystem an eine Zelle ange-

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schlossen, die in einer Flüssigkeitsleitung sitzt. Ein Infrarothalbleiterlaser 11 vom GaAlAs- oder GaAlP-Typ, der mittels einer Laserschaltung betrieben wird, ist über das Lichtleitfasersystem 12 an ein Fenster in der Zelle angeschlossen. Er leitet Licht in die Zelle und weiter über das Lichtleitfasersystem 14, das in Richtung des einfallenden Laserstahles liegt, zum Laserausgangspegeldetektor 13 und über entsprechende Lichtleitfasersysteme 16 und 17, die unter einen: kleinen Winkel von z. B. 20 zum einfallenden Laserstrahl liegen, zu den Streulichtdetektoren 14 und 15. Das Ausgangssignal des einzelnen Streulichtdetektors wird über einen Verstärker und eine Amplituden- und Zeitsteuerschaltung in den Ausgangsverstärker eingespeist, dessen Verstärkung durch das Ausgangssignal des Detektors für den Ausgangspegel über eine automatische Verstärkerreglerschaltung gesteuert wird. Auf diese Weise kompensiert das Detektorsystem automatisch Änderungen in dem Laserausgang,die durch die Stabilisierung oder die Anwesenheit von abdunkelnden Stoffen auf den Zellfenstern bedingt sind. Dadurch ist eine kontinuierliche korrigierte Ablesung des ölgehaltes an dem Ausgangsverstärker möglich.

Bei manchen Anwendungen kann ein zweiter Streulichtdetektor 15, der unter dem g]ei chen Winkel zum Laserstrahl angeordnet ist wie der erste Detektor 14, dazu benutzt werden, die durch die Anwesenheit von Rostteilchen in der Strömung bewirkte geringe Störung auszugleichen. Bei dieser Anordnung wird das Laserausgangssignal polarisiert und ein entsprechendes Polarisationsfilter ist an dem zweiten Detektor angebracht. Da die Rostteilchen die Polarisationsebene des einfallenden Lichtes drehen, mißt der zweite Detektor lediglich das von den festen Teilchen gestreute Licht. Die Ausgangssignale der zwei Streulichtdetektoren werden in der Substrahierschaltung verglichet, so daß man einen korrigierten Wert für den ölgehalt erhält.

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Fig. 2 zeigt einen entsprechenden Zellenaufbau. Der Zellenkörper 21 ist mit Hilfe der Dichtungsringe 24 zwischen zwei Rohrkupplungen 23 befestigt und besitzt den Lichteingangsanschluß 25 für den Laserstrahl und die Ausgangsanschlüsse und 27 für den Ausgang des Laserstrahles bzw. die Streulichtdetektoren.

Die Verstärker- und Zeitsteuerschaltung nach Fig. 3 besteht aus drei am Wechselstrom liegenden Verstärkern mit einem Feldeffekttransistor im Eingang. Da der Diodensperrstrom der Eingang sphotodiode D1 linear von dem auf seine Oberfläche einfallenden Licht abhängig ist, wirkt die erste Stufe als ein Stran-Spannungs-Wandler. Das Signal wii.d durch eine zweite und dritte Verstärkerstufe weiter verstärkt, die ferner eine Zeitkonstante von ca. 1sec. einführt, ehe das Signal in einen Meßrekorder eingegeben wird.

Fig. 4 zeigt die Betriebsschaltung für den Laser in der gepulsten Mode. Die Impulsbreite und die Impulsfolgefrequenz wird durch die monostabilen Multivibratoren M1 und M2 bestimmt, wobei ein Ausgang von M2 nach M1 rückgekoppelt ist. Das andere Ausgangssignal des monostabilden Multivibrators M2 wird über den Emitterfolger TR1 und die Verstärker TB2 und TR3 in die Leistungsausgangsstufe eingespeist, die aus den Transistoren TR4 und TR5 besteht. Das Niveau des Ausgangsstromimpulses wird durch den sichtbaren Widerstand VR2 bestimmt. Der Laser wird bevorzugt unter seinen maximalen Ausgangssignal betrieben, um die Lebensdauer desselben möglichst auszudehnen und die Alterungseffekte gering zu halten.

Die beiden beschriebenen Schaltungen, Detektorausgangs- und

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Laserbetr i ebi;:>chal t ung , dienen lediglich als Beispiel und andern ähnliche Schal t kreise können selbstverständlich verwendet weiden.

Dei vom Detektor ausgehende Werte varieren entsprechend der in dem Wasser vorliegenden Öl art. Dieser Effekt ist in Fig. 5 dargelegt, worin die jeweiligen Anzeigewerte des Detektors für die verschiedenen Typen von Rohöl aufgezeichnet sind.

Infolge der Abstreifwirkung der durch die Zelle strömenden Flüssigkeit ist es nicht erforderlich, für eine Säuberung der Fenster zu sorgen, insbesondere da das System automatisch das Vorhandensein von abdunkelnden Stoffen ausgleicht. Bei manchen Anwendungformen können die Fenster jedoch mit Sprühdüsen für sauberes Wasser ausgerüstet sein, um die Fenster klar zu halten. Diese bestehen selbstverständlich aus infrarotdurchlässigem Material wie Quarz oder Silicium.

Bei manchen Anwendungen kann das Meßsystem gegen überlastung durch zu hohen Mengen an öl in dem Wasser durch einen zweiten Vorlaufdetektor geschützt werden, der im Stromfluß davor angeordnet ist und ein Beipassventil betreibt, wenn ein zu hoher ölgehalt angezeigt wird.

Obgleich das Meßsystem mit einem Galliumaluminiumarsenid oder Galliumaluminiumphosphidlaser beschrieben wurde, ist es natürlich nicht auf einen solchen beschränkt. Andere Halbleiterlaser können ebensogut verwendet werden, vorausgesetzt das Material hat eine Bandspalte größer als o,5eV. Bei anderen Anwendungen kann auch ein Festkörperlaser verwendet werden,

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der im sichtbaren Bereich des Spektrums arbeitet, obgleich ein Betrieb im Infrarot vorzuziehen ist, um die Wirkung der suspendierten Festkörperteilchen in dem Flüssigkeitsstrom niedrig zu halten.

5 Patentansprüche
5 Blatt Zeichnungen

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Άθ' Leerseite

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Meßsystem zur Bestimmung von öl in Wasser, gekennzeichnet durch eine wasserdurchströmte Zelle, einen Halbleiterlaser, der im Infrarotbereich des Spektrums betrieben wird und an der einen Seite der Zelle angebracht ist, ferner einen Photodetektor oder mehrere Photodetektoren, angeordnet unter einem bestimmten Winkel zum Laserstrahl, um das von den öltröpfchen in dem Wasser gestreute Laserlicht zu bestimmen.
2. 2. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Photodetektor gegenüber dem Halbleiterlaser an der Leitung angebracht 1st und mit dem Laserstrahl fluchtet, daß ein Photodetektor oder mehrere Photodetektoren in einem Winkel zu dem Laserstrahl angeordnet sind, daß sie das von den öltröpfchen im Wasser gestreute Infrarotlicht erfassen und daß ein variabler Verstärker an den Streulichtdetektor oder die Streulichtdetektoren angeschlossen ist, in dem der Grad der Verstärkung durch den Ausgang des ersten Detektors gesteuert wird, so daß das Ausgangssignal oder die Ausgangssignale der weiteren Detektoren bei Änderungen in dem Laserausgangssignal kompensiert werden.

   20. Oktober 1977

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3. 3. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterlaser ein polarisiertes Licht erzeugt, und der Detektor mit einem entsprechenden gekreuzten Eingangsfilter versehen ist, so daß nur das von den suspendierten Feststoffteilchen kommende Streulicht gemessen wird.
4. 4. Meßsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterlaser und die Detektoren über entsprechende Lichtleitfasern gekoppelt sind.
5. 5. Anordnung nach einen oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterlaser ein Galliumaluminiumarsenid- oder Galliumaluminiumphosphidlaser ist.

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