DE2747698C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Meßsystem gemäß Ober­ begriff des Anspruchs 1.

In vielen Situationen, wie z. B. beim Auspumpen des Wasserba­ lastes aus einem Öltanker, ist es erforderlich, den Grad der Ölverschmutzung in dem ausströmenden Wasser zu bestimmen. Das allgemein in der Form von fein dispergierten Tröpfchen vor­ liegende Öl wird vielfach so gemessen, daß Licht aus einer diffusen Lichtquelle durch das Wasser geleitet und das ent­ stehende Streulicht unter einem bestimmten Winkel zum ein­ fallenden Strahl bestimmt wird. Obgleich dieses Verfahren einfach und durchaus wirkungsvoll ist, besitzt es den Nach­ teil, daß die Ablagerung von Schmutz auf dem Meßsystem die Intensität des einfallenden Lichtes verringert und somit falsche Werte verursacht. Darüber hinaus ist es schwierig, mit herkömm­ lichen Lichtquellen einen hinreichend intensiven Lichtstrahl, der auf einen niedrigen Ölgehalt anspricht, für den Detektor zu erzeugen. Ein solcher Detektor gibt auch falsche Werte, wenn suspendierte Feststoffe wie z. B. Rostteilchen in dem Flüssig­ keitsstrom anwesend sind.

Aus der US-PS 37 58 787 ist ein Meßsystem bekannt, das als Lichtquelle weißes Licht, z. B. aus einer nicht-monochromatischen Licht­ quelle, benutzt. Das durch die Meßkammer direkt hindurchgelangte Licht wird in einer Lichtfalle absorbiert und bewußt unter­ drückt. Gemessen wird nur das Streulicht. Änderungen der Meß­ anordnung, beispielsweise durch Änderungen der Lichtquelle oder Verschmutzung des Meßsystems, werden nicht erfaßt. Die Meßgenauigkeit läßt daher zu wünschen übrig.

Ein Meßsystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der DE-OS 21 58 007 bekannt. Allerdings handelt es sich bei diesem bekannten Meßsystem um einen optischen Trübungs­ messer und nicht um ein Meßsystem zur Bestimmung der Kon­ zentration von Öl in Wasser. Bei diesem bekannten Meßsystem gelangt Laserlicht von einer Laserlichtquelle einerseits auf einen Direktlichtdetektor und andererseits auf einen Streulicht­ detektor. Die Ausgangssignale beider Detektoren werden in einer Signalverarbeitungsvorrichtung verarbeitet, deren Ausgangs­ signal eine Funktion des Verhältnisses der Ausgangssignale beider Detektoren darstellt. Üblicherweise ist das Ausgangs­ signal des Direktlichtdetektors sehr viel größer als das des Streulichtdetektors. Dies bereitet Probleme bei Meßsystemen hoher Empfindlichkeit, so daß es schwierig ist, ein genaues Meß­ ergebnis zu erhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, daß Meßsystem der eingangs angegebenen Art so zu verbessern, daß genaue Meß­ werte auch über lange Zeit gewährleistet sind.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben und kann den Unteransprüchen gemäß vorteilhaft weitergebildet werden.

Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Meßsystem das Ausgangs­ signal des Direktlichtdetektors nicht mit dem Ausgangssignal des Streulichtdetektors ins Verhältnis gesetzt wird, sondern mit dem Ausgangssignal des Direktlichtdetektors die Ver­ stärkung des das Ausgangssignal des Streulichtdetektors ver­ stärkenden Verstärkers gesteuert wird, kann man einerseits eine hochempfindliche Meßanordnung einsetzen und kann man andererseits Änderungen, die durch Änderungen der Lichtquelle und/oder Verschmutzung des Meßsystems oder dergleichen her­ rühren, kompensieren. Hinzu kommt, daß sich mit Laserlicht des im Anspruch 1 angegebenen Wellenlängenbereichs eine be­ sonders hohe Empfindlichkeit des Meßsystems erzielen läßt. Mit dem erfindungsgemäßen Meßsystem ist somit eine hohe Meßgenauigkeit auch über längere Zeit gewährleistet.

Eine bevorzugte Ausführungsform besteht in einem Meßsystem, das neben dem Direktlicht-Photodetektor mehrere Streu­ licht-Photodetektoren aufweist, die in einem Winkel zum Laserstrahl angebracht sind, um das von den Öltröpfchen ge­ streute Infrarotlicht zu bestimmen. Einer dieser weiteren Photodetektoren ermittelt Streulicht, das von suspendierten Feststoffteilchen, wie Rostteilchen, reflektiert wird. Mit Hilfe des Ausgangssignals dieses weiteren Photodetektors können Verfälschungen des Meßwertes der Ölkonzentration ver­ mieden werden.

Mit der Verstärkungsregelung in Abhängigkeit von dem Ausgangs­ signal des Direktlicht-Photodetektors können die Ausgangs­ signale aller Streulicht-Photodetektoren beeinflußt werden. Festkörperlaser z. B. des Galliumaluminiumarsenidtyps können im Infrarotbereich im Wellenlängenbereich von 850 bis 920 nm betrieben werden und sind bestens geeignet, einen intensiven monochromatischen Lichtstrahl für die Streulicht­ messungen zu liefern. Indem man die Messungen bei Infrarot­ frequenzen und die Streulichtmessung unter einem verhält­ nismäßig engen Winkel zum Direktlichtstrahl durchführt, läßt sich die Wirkung der Rostteilchen in dem zu messenden Flüssigkeitsstrom weitgehend herabsetzen, in manchen Fällen auf einen Bruchteil.

Eine Ausbildungsform der Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beschrieben. Es stellt dar

Fig. 1 ein Schema eines mit Infrarotlicht arbeitenden Meßsystems, das sowohl die Absorbtions- als auch die Streumeßtechnik verwendet;

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

Fig. 3 die Verstärkerschaltung des Meßsystems nach Fig. 1;

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

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

In den Fig. 1 und 2 ist das die Konzentration von Öl in Wasser erfassende Meßsystem an eine Zelle ange­ schlossen, die in einer Flüssigkeitsleitung sitzt. Ein Infra­ rothalbleiterlaser 11 vom GaAlAs- oder GaAlP-Typ, der mittels einer Lasertreiberschaltung betrieben wird, ist über ein Lichtleit­ fasersystem 12 an ein Fenster in der Zelle angeschlossen. Er leitet Licht in die Zelle und weiter über ein Lichtleitfaser­ system 14 das in Richtung des einfallenden Laserstrahles liegt, zum Laserausgangspegeldetektor oder Direktlichtdetektor 13 und über entsprechende Lichtleitfasersysteme 16 und 17, die unter einem kleinen Winkel von z. B. 20° zum einfallenden Laserstrahl liegen, zu Streu­ lichtdetektoren 14 und 15. Das Ausgangssignal des einzelnen Streulichtdetektors wird über einen Verstärker und eine Amplituden- und Zeitsteuerschaltung in einen Ausgangsverstärker eingespeist, dessen Verstärkung über eine automatische Ver­ stärkerreglerschaltung durch das Ausgangssignal des Direktlicht­ detektors gesteuert wird. Auf diese Weise kom­ pensiert das Meßsystem automatisch Änderungen in dem Laserausgang, die durch die Stabilisierung oder die Anwesen­ heit 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 gleichen Winkel zum Laserstrahl angeordnet ist wie der erste Streulichtdetektor 14, dazu benutzt werden, die durch die Anwesenheit von Rostteilchen in der Strömung bewirkte geringe Störung auszugleichen. Bei dieser Anordnung wird das Laseraus­ gangssignal polarisiert und ein entsprechendes Polarisations­ filter ist an dem zweiten Streulichtdetektor 15 angebracht. Da die Rost­ teilchen die Polarisationsebene des einfallenden Lichtes drehen, mißt der zweite Streulichtdetektor lediglich das von den festen Teilchen gestreute Licht. Die Ausgangssignale der zwei Streulichtdetek­ toren 14, 15 werden in einer Subtrahierschaltung verglichen, so daß man einen korrigierten Wert für den Ölgehalt erhält.

Fig. 2 zeigt einen entsprechenden Zellenaufbau. Ein Zellen­ körper 21 ist mit Hilfe von Dichtungsringen 24 zwischen zwei Rohrkupplungen 23 befestigt und besitzt einen Lichteingangs­ anschluß 25 für den Laserstrahl und Ausgangsanschlüsse 26 und 27 für den Ausgang des Laserstrahles bzw. die Streulicht­ detektoren.

Die Verstärker- und Zeitsteuerschaltung nach Fig. 3 besteht aus drei wechselstrommäßig gekoppelten Verstärkern mit einem Feld­ effekttransistor im Eingang. Da der Diodensperrstrom der Ein­ gangsphotodiode D 1 linear von dem auf seine Oberfläche ein­ fallenden Licht abhängig ist, wirkt die erste Stufe als ein Strom-Spannungs-Wandler. Das Signal wird durch die zweite und die dritte Verstärkerstufe weiter verstärkt, die ferner eine Zeitkonstante von ca. 1 sec einführt, ehe das Signal in einen Meßrekorder eingegeben wird.

Fig. 4 zeigt eine Treiberschaltung, um den Laser in der ge­ pulsten Betriebsart zu betreiben. Die Impulsbreite und die Impulsfolgefrequenz werden durch monostabile Multivibratoren M 1 und M 2 be­ stimmt, wobei ein Ausgang von M 2 nach M 1 rückgekoppelt ist. Das andere Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators M 2 wird über einen Emitterfolger TR 1 und Verstärker TR 2 und TR 3 in eine Leistungsausgangsstufe eingespeist, die aus den Transistoren TR 4 und TR 5 besteht. Das Niveau des Ausgangs­ stromimpulses wird durch einen sichtbaren Widerstand VR 2 be­ stimmt. Der Laser wird bevorzugt unterhalb seines maximalen Aus­ gangssignals betrieben, um seine Lebensdauer möglichst auszudehnen und die Alterungseffekte gering zu halten.

Die beiden beschriebenen Schaltungen, Detektorausgangs- und Lasertreiberschaltung, dienen lediglich als Beispiel und andere ähnliche Schaltungen können selbstverständlich ver­ wendet werden.

Die vom Meßsystem ausgehende Werte variieren entsprechend der in dem Wasser vorliegenden Ölart. Dieser Effekt ist in Fig. 5 dargelegt, worin die jeweiligen Anzeigewerte des Meßsystems für die verschiedenen Typen von Rohöl aufgezeich­ net 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 Anwendungsformen können die Fenster jedoch mit Sprüh­ düsen für sauberes Wasser ausgerüstet sein, um die Fenster klar zu halten. Diese bestehen selbstverständlich aus infra­ rotdurchlässigem Material wie Quarz oder Silicium.

Bei manchen Anwendungen kann das Meßsystem gegen Überlastung durch zu hohe Mengen an Öl in dem Wasser durch ein zweites, Vorlaufmeßsystem geschützt werden, das im Stromfluß davor angeordnet ist und ein Bypassventil 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 Halb­ leiterlaser können ebensogut verwendet werden, vorausgesetzt das Material hat einen Bandabstand größer als 0,5 eV. Bei anderen Anwendungen kann auch ein Festkörperlaser verwendet werden, der im sichtbaren Bereich des Spektrums arbeitet, obgleich ein Betrieb im Infrarot vorzuziehen ist, um die Wirkung der suspendierten Festkörperteilchen in dem Flüssigkeits­ strom niedrig zu halten.

Claims (4)

1. Meßsystem zur Bestimmung der Konzentration von Öl in Wasser, mit einer wasserdurchströmten Zelle, einem Infrarot- Halbleiter-Laser als Lichtquelle auf der einen Seite der Zelle und zwei oder mehreren Photodetektoren auf der anderen Seite der Zelle, die unter einem bestimmten Winkel zum Laserstrahl angeordnet sind und das durch die Öltröpfchen im Wasser gestreute infrarote Licht aufnehmen, und einem Verstärker zum Verstärken des Ausgangssignals mindestens eines der Photodetektoren, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker ein spannungsgesteuerter variabler Verstärker ist, bei dem die Spannung durch den Ausgang des ersten Photo­ detektors, der dem Halbleiterlaser gegenüberliegt, gesteuert wird, so daß eine automatische Kompensation des Ausgangs­ signals bzw. der Ausgangssignale der weiteren Detektoren bei Änderungen in dem Laserausgangssignal erreicht wird, und daß die Wellenlänge am Ausgang des Laserstrahles in dem Be­ reich zwischen 850 nm und 920 nm liegt.

2. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterlaser polarisiertes Licht erzeugt und einer der Photodetektoren mit einem ent­ sprechend gekreuzten Eingangspolarisationsfilter versehen ist, so daß nur das von suspendierten Feststoffteilchen kommende Streulicht gemessen wird.

3. Meßsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterlaser und die Photodetektoren über ent­ sprechende Lichtleiterfasern gekoppelt sind.

4. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterlaser ein Galliumaluminiumarsenid- oder Galliumaluminiumphosphidlaser ist.