DE2836607C2

DE2836607C2 -

Info

Publication number: DE2836607C2
Application number: DE2836607A
Authority: DE
Inventors: Gillies David Pitt; Stephen Ian Norman Harlow Essex Gb Gregorig
Original assignee: ITT Industries Inc
Current assignee: Vaf Instruments BV
Priority date: 1977-08-26
Filing date: 1978-08-22
Publication date: 1988-08-25
Also published as: DK371278A; US4201471A; JPS5446593A; JPS589374B2; FR2401416B1; DK152312C; SE429164B; FI782610A; FR2401416A1; NL7808680A; SE7808924L; FI68467B; IT7826063A0; NO147731C; NO147731B; DK152312B; DE2836607A1; IT1118239B; NO782848L; FI68467C

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßsystem gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Mit einem solchen Meßsystem kann ein Ausgangssignal erzeugt werden, das der Konzentration von in Wasser befindlichem Öl entspricht.

Aus der DE-OS 21 58 007 ist ein optischer Trübungsmesser bekannt, der eine von der zu messenden Flüssigkeit durchströmte Zelle aufweist, auf deren einer Seite eine Laserlichtquelle und auf deren gegenüberliegender Seite ein Direktlichtdetektor und ein Streulichtdetektor angeordnet sind. Es wird das Verhältnis zwischen den Ausgangssignalen des Direktlichtdetektors und des Streulichtdetektors gebildet. Diese Verhältnisbildung führt zu einem Signal, das von Schwankungen der Lichtquelle, von Spannungsschwankungen und anderen umgebungsbedingten Faktoren unabhängig ist, die ansonsten die Eichstabilität des Meßsystems beeinflussen würden.

Aus der DE-OS 25 28 912 ist ein ähnlicher Trübungsmesser bekannt, der zur Messung der Ölkonzentration in Wasser verwendet werden kann. Dieser Trübungsmesser weist neben einem Direktlicht detektor zwei unter verschiedenem Winkel angeordnete Streu lichtdetektoren auf. Der eine Streulichtdetektor empfängt Licht, das aufgrund des Ölgehaltes im Wasser gestreut worden ist. Der andere Streulichtdetektor empfängt Licht, das aufgrund von Schmutzteilchen im Wasser gestreut worden ist. Durch eine Verhältnisbildung zwischen den Ausgangssignalen der beiden Streulichtdetektoren kann eine Meßverfälschung durch die Schmutzteilchen verhindert und der tatsächliche Ölgehalt gemessen werden. Das Ausgangssignal des Direktlichtdetektors dient zur Meßgeauigkeitserhöhung, um veränderbare Absorptions eigenschaften, beispielsweise bedingt durch Verunreinigungen der Zellwand, auszuschließen.

Ein ganz ähnliches Meßsystem ist auch in der DE-OS 27 47 698 beschrieben, deren Meßzelle ebenfalls mit einem Direktlicht detektor und zwei Streulichtdetektoren ausgerüstet ist und der Bestimmung der Ölkonzentration in Wasser dient. Bei diesem Meßsystem werden die Ausgangssignale der beiden Streulicht detektoren in einer Subtrahierschaltung verglichen, um einen von den Einflüssen von Schmutzteilchen korrigierten Wert für die Ölkonzentration zu erhalten. Das Ausgangssignal des Direktlichtdetektors wird hierbei zur automatischen Verstärkungs regelung eines der Subtrahierschaltung nachgeordneten Verstärkers verwendet.

Die automatische Verstärkungsregelungsschaltung des genannten Meßsystems ist so ausgebildet, daß sie den Bereich der Öl konzentration von z. B. 0-200 ppm erfaßt, für den das Ausgangs signal der Streulichtzelle direkt proportional der Ölkonzen tration ist. Aufgrund des oberhalb dieses Bereiches nicht linearen Ausgangssignals der Zelle sind solche Streulicht auswertenden Meßsysteme auf die Bestimmung eines Ölgehaltes im Bereich von 0-200 ppm begrenzt.

Aus der US-PS 35 10 666 ist ein Meßsystem der eingangs ange gebenen Art bekannt, bei dem das Verhältnis zwischen dem Ausgangssignal des Streulichtdetektors und dem Ausgangs signal des Direktlichtdetektors gebildet wird, um eine Erhöhung des linearen Meßbereichs zu erzielen. Dabei wird allerdings vorausgesetzt, daß sowohl das Signal des Streu lichtdetektors als auch das Signal des Direktlichtdetektors in einem Anfangsbereich des Trübungsgrades einen linearen Verlauf aufweist.

Dies trifft aber beim Vorhandensein von Öltröpfchen im Wasser nicht zu. In diesem Fall fällt die Intensität des Ausgangs signals des Direktlichtdetektors logarithmisch ab.

Es hat sich gezeigt, daß das Ausgangssignal des Streulicht detektors weniger vom Vorhandensein fester Verunreinigungen wie Rostteilchen oder Sand beeinflußt wird als das Ausgangs signal des Direktlichtdetektors. Wenn z. B. 1000 ppm Rost einer Teilchengröße von 4 µm das Meßsystem durchlaufen, registriert der Direktlichtdetektor ein Äquivalent von 300 ppm an Öl, während der Streulichtdetektor nur 150 ppm anzeigt. Dies würde dafür sprechen, das Ausgangssignal des Streu lichtdetektors zu verwenden. Dies führt aber wieder zu dem bereits erwähnten Nachteil, daß das Ausgangssignal des Streu lichtdetektors nur bis zu einem bestimmten Ölkonzentrations wert linear ist, dann aber nicht-linear wird und nach dem Durchlaufen eines Maximums wieder abfällt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßsystem der eingangs angegebenen Art verfügbar zu machen, das bei Ver ringerung von Meßverfälschungen durch Schmutzpartikel zu einem größeren linearen Meßbereich führt.

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

Dadurch, daß erfindungsgemäß für das Streulichtdetektorsignal und das Direktlichtdetektorsignal unterschiedliche Verstärker arten verwendet werden, nämlich ein linearer bzw. ein logarith mischer Verstärker, und daß man bei einem vorbestimmten Schwellen wert, vorzugsweise am Ende des linearen Bereichs des Streulichtdetektor signals, auf das mittels dem logarithmischen Verstärker lineari sierte Direktlichtdetektorsignal umschaltet, erreicht man über den gesamten Meßbereich ein lineares Ausgangssignal, hat aber in dem besonders heiklen Bereich niedriger Ölkonzentrationen eine beträchtliche Herabsetzung der Meßverfälschungen durch Schmutzpartikel wie Sand und Rost erreicht.

Die Erfindung wird nun anhand einer Ausführungsform näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 die Ansicht der Einzelteile einer Streulicht zelle, wie sie in dem Meßsystem verwendet wird,

Fig. 2 den Strahlengang des Lichtes in der Zelle,

Fig. 3 den Strahlengang des Lichtes in der Zelle,

Fig. 3 die Kennlinie des Detektors der Meßzelle,

Fig. 4 die Schaltungsanordnung des Verstärkers und der Verstärkungsregelung und

Fig. 5 ein Fließbild der Schaltung nach Fig. 4.

In den Fig. 1 und 2 ist die Meßanordnung um eine Streulicht zelle herum aufgebaut, die aus einem ringförmigen Zentral körper 11 besteht, an dem über Zwischenringe 13 die konisch zulaufenden Anschlüsse 12 befestigt sind. Licht von einem z. B. nichtgezeigten Gallium-Arsenid-Laser gelangt über eine erste Lichtleitfaser 15 in den Lichteinlaß 14 der Zelle und über die Auslaßöffnungen 16 und 17 in die Fasern 18 und 19, die wiederum an den Fotodetektoren angeschlossen sind. Mit Hilfe einer nach innen gerichteten Platte 20 wird das in die Zelle gelangende Licht gesammelt, um die Möglichkeit einer Fehl reflektion zu verringern.

Wie die Fig. 2 zeigt, wird Licht von der Einlaßöffnung 14 als gerade durchlaufendes Signal oder Direktlicht über die Auslaßöffnung 16 und im Winkel α zum Strahlengang als Streulicht über die Auslaßöffnung 17 detektiert. Die Kurven in Fig. 3 zeigen charakteristische Kurven verläufe bei Detektoren, die an den Öffnungen 16 und 17 ange schlossen sind. In Gegenwart von Öltröpfchen fällt die Inten sität des direkten Strahles logarithmisch ab. Das Streulicht steigt am Anfang im wesentlichen linear ab, bei einem höheren Ölpegel erreicht es ein Maximum und fällt dann wieder ab. In der beschriebenen Anordnung liegt dieses Maximum bei 300-400 ppm.

Es hat sich gezeigt, daß das Streulichtausgangssignal weniger vom Druck fester Verunreinigungen wie Rost oder Sand beeinflußt wird als das Ausgangssignal, das vom gerade durchlaufenden Licht strahl stammt. Wenn z. B. 1000 ppm Rost einer Teilchengröße von 4 µm das System passieren, so registriert das Ausgangssignal des direkt durchlaufenden Strahles ein Äquivalent von 300 ppm an Öl, während der Streulichtausgang nur 150 ppm anzeigt. In der Anwendung des Streulichtausgangssignals bei einem niedrigen Ölpegel liegt ein wesentlicher Vorteil, z. B. durch die Herabsetzung des Ein flusses von Sand und Rost.

Um den gesamten Bereich von 1000 ppm zu erfassen, ist es not wendig, die Detektorschaltung so auszubilden, daß die Art der Messung vom Direktlicht zum Streulicht wechselt. Somit wird der lineare Anstieg des Streulichtausgangssignal ausgenützt. Wenn jedoch die Dämpfung durch die Öltröpfchen größer wird als der Streueffekt und das Ausgangssignal sich dem Maximum nähert, findet ein automatischer Wechsel zur Direktlicht messung statt. Mit Hilfe eines logarithmischen Verstärkers wird die Dämpfung des gerade durchlaufenden oder direkten Lichtstrahls linearisiert.

Ein weiteres Problem, das mit der Technik im Zusammenhang steht, bei der optische Fenster in Kontakt mit dem ölhaltigen Wasser sind, liegt darin, daß die Fenster selbst schmutzig werden und damit eine Eichverschiebung des Systems bewirken. Die Verfahren nach dem Stand der Technik messen kontinuier lich das Signal des Direktlichtausganges und benutzen es, um das Signal vom Streulichtdetektor wirksam zu kompensieren. Bei einem hohen Ölpegel jedoch führt die extreme Dämpfung zu einem hohen nichtlinearen Ausgangssignal. Die vorliegende Anordnung verringert dieses Problem mit Hilfe einer auto matischen Verstärkungsregelungsschaltung, die nur dann zum Einsatz kommt, wenn sicher ist, daß das System sauberes Wasser enthält.

Es läßt sich nachweisen, daß die Absorbtion A der Flüssigkeit in der Zelle gegeben ist durch die Gleichung:

wobei I₀ das eingestrahlte Licht und I _t das ausgestrahlte Licht verkörpert.

Wird I₀ konstant gehalten und ist A proportional der Ölkon zentration C, dann gilt

C = k · log 1 : I _t,

worin k eine Konstante ist.

Um ein Ausgangssignal der Ölkonzentration zu erhalten, muß somit der abzulesende Wert des Direktlichtsignals der Zelle in einen Verstärker eingespeist werden, der eine logarith mische Übertragungskennlinie besitzt. Wenn die Fenster schmutzig werden, stellt das System die Signalverstärker so ein, daß sie im gleichen Bereich der Kurven arbeiten.

Die Detektor- und Ausgangssignalschaltung der Fig. 4 und 5 umfaßt die Fotodetektoren 41 und 42, die Verstärker 43 und 44, die automatische Verstärkungsregelungsschaltung 45, den Fest körperlaser 45′ und seine angeschlossene Treiberschaltung. Die Regelung der Detektor- und Ausgangssignalschaltung wird durch das auto matische Verstärkungsregelungssystem bewirkt.

Das Herz dieses Systems ist ein Digital-Analog-Konverter, der unter den Bezugszeichen IC 15 und IC 16 gezeigt wird. Ein ge eignetes Bauelement für diesen Zweck ist die integrierte Schaltung ZN425E von Ferranti, die einen 8-bit Zähler ent hält. Das Ausgangssignal des Konverters ist gegeben durch: wobei V _ref die Eingangsspannung am Gerät und n die Zahl der Eingangsimpulse (bis zu 256) am Zähler ist.

Ist eine Eichung des Schaltkreises erforderlich, so wird ein Schalter S 1 für einen bestimmten Zeitraum geschlossen und dadurch eine Verzögerungsschaltung IC 14 gesetzt, die eine NE555-Schaltung sein kann, von der ein Ausgangssignal das nichtgezeigte Spülventil in Gang setzt, welches reines Wasser in die Zelle einspeist. Nachdem das Spülen mit reinem Wasser eine bestimmte Zeit lang durchgeführt wurde, z. B. 3 Minuten lang, stoppt die Verzögerungsschaltung den Wasserstrom und er zeugt einen Ausgangsimpuls, der die Zähler IC 15 und IC 16 zu rückstellt und das Flipflop in IC 10 setzt, das ein AND-Gatter wie z. B. SN 7400 enthält. Dies ermöglicht Impulsen von IC 11, das ein astabilder Multivibrator ist, die Zähler IC 15 und IC 16 zu takten. Das Ausgangssignal von IC 15 kann bis auf 0,2 V an steigen, bei diesem Wert ändert IC 13, das als Komparator ver drahtet ist und den Verstärker 741 enthält, seinen Zustand und triggert das Flipflop im IC 10, wodurch verhindert wird, daß weitere Impulse IC 15 und IC 16 erreichen. Auf diese Weise stellt sich der logarithmische Verstärker IC 2 in der Schal tung nach Fig. 4 755 P mit einer konstanten Spannung dar, die einen Ölgehalt Null verkörpert. Die Verstärkung des Streulichtkanals IC 4 kann zusammen mit dem Direktlichtkanal eingestellt werden. Gesetzt den Fall, daß die Zellenöffungen so schmutzig geworden sind, daß das Eingangssignal des Direktlichtes unterhalb von 0,2 V liegt, so ändert IC 13 seinen Zustand nicht, und das Flipflop von IC 10 wird nicht getriggert, wohingegen über das Ausgangssignal des Transistors TR 1 ein Warnlicht angeschaltet wird. Die Schaltung mit dem IC 5, IC 6 und IC 7 regelt den Schaltbe reich des Systems bei einem Ölniveau von ca. 200 ppm über das Diaphragmarelais RL 1. Bei manchen Anwendungen kann ein Festkörperschalter benutzt werden, jedoch im Hinblick auf die derzeit geringe Zuverlässigkeit von CMOS-Bauelementen und die selektive Komplexität von Schaltern, die herkömmliche Operationsverstärker verwenden, wird ein Diaphragmarelais mit seiner ausgezeichneten Zuverlässigkeit vorgezogen. Es ist nicht möglich, die Eichung des Streulichtverstärkers IC dadurch zu prüfen, daß man ein Filter in den Strahlengang ein setzt, das einer bestimmten Ölkonzentration entspricht. Der Grund hierfür liegt darin, daß anders als beim Weg des Direkt lichtsignals das Ausgangssignal des Streulichtdetektors bei Abwesenheit von Öl Null ist. Deshalb wird ein Teil des Signals vom Direktlicht dem Eingang des Streulichtsystems AG 1 einge geben, um die korrekte Eichung des Systems zu überprüfen, wenn der Eichschalter S 1 betätigt ist. Stimmt der Eichwert, sollte das resultierende Ausgangssignal konstant sein.

Die Ausgänge A und B der Verstärker für das Streulicht und das Direktlicht sind an die Änderungskontakte des Relais ge koppelt, dessen Ausgangssignal an den Verstärker IC 1 angeschlossen ist, der einen Diagrammschreiber oder ein nichtgezeigtes Display speist. Bei manchen Ausbildungsformen kann eine weitere nichtgezeigte Lichtausgangsöffnung in der Zelle vorgesehen sein, die Licht aufnehmen kann, das unter einem größeren Winkel als dem in Fig. 2 gezeigten gestreut wird. Das Ausgangssignal eines weiteren Detektors, angekoppelt an diese Ausgangsöffnung, wird mit dem des Detektors verglichen, der unter dem Winkel α gestreutes Licht empfängt. Auf diese Weise läßt sich die Auswirkung von festen Verschmutzungsteilchen auf ein Minimum verringern.

Die bevorzugte Lichtquelle für das Detektorsystem ist ein Gallium-Arsenid-Laser, dessen Ausgangswellenlänge in dem Be reich des Infrarotspektrums außerhalb des Wasserabsorbtionsbandes liegt. Ein derartiger Laser ergibt in Verbindung mit schnellen Silicium-Fotodetektoren ein sehr stabiles System mit einem niedrigen Rauschpegel. Der Laser kann durch ein getrenntes System gesteuert werden, bei dem Licht getrennt über eine Licht leitfaser von der Front oder der Rückseite des Lasers weiter geleitet und gemessen werden kann, um ein Signal zu erzielen, durch das das Lasersignal verstärkt oder abgeschwächt wird, entsprechend der Änderung des Bauelementes mit zunehmendem Alter und Temperatur. Gegebenenfalls kann ein Siliciumdetek torstreifen in der Laserverkapselung untergebracht werden, um das Steuersignal zu erzeugen.

Bei einem weiteren Anwendungsbeispiel kann ein Fotodetektor in dem Laserbauteil angeordnet sein, der den Teil der Laser strahlung empfängt, die von der Lichtleitfaser abstrahlt. Dieses Signal kann zur Steuerung des Laserstromes benutzt werden.

Claims

1. Meßsystem zur Bestimmung der Konzentration von Öl in Wasser, mit

- einer von dem Wasser durchströmbaren Zelle,
- einer Lichtquelle, deren Licht durch die Zelle geschickt wird,
- einem Direktlicht-Photodetektor zum Empfang von das Wasser direkt durchlaufendem Licht,
- einem Streulicht-Photodetektor zum Empfang von Licht, das von dem im Wasser dispergierten Öl gestreut worden ist,
- und einer Verstärkereinrichtung zum Verarbeiten von Photo detektorausgangssignalen,

dadurch gekennzeichnet,

- daß dem Direktlicht-Photodetektor (42 ein logarithmischer Ver stärker (44) und dem Streulicht-Photodetektor (41) ein linearer Verstärker (43) nachgeschaltet ist
- und daß eine schwellenwertabhängige Schaltereinrichtung unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwertes der Ölkonzentration den linearen Verstärker (43) und ab Erreichen dieses Schwellenwertes den logarithmischen Verstärker (44) wirksam schaltet.

2. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine automatische Verstärkungsregelungsschaltung (45) zur Eichung der Verstärker (43, 44) zum Zweck der Kompensation von in der Zelle auftretenden Übertragungsverlusten vorgesehen ist.

3. Meßsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spülvorrichtung vorgesehen ist, welche die Zelle bei einer Eichung mit klarem Wasser spült.

4. Meßsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die automatische Verstärkungsregelungsschaltung (45) einen Digital/Analog-Konverter (IC 15, IC 16) aufweist, der mit Impulsen von einem astabilen Multivibrator (IC 11) gespeist wird und daraus eine Eichspannung für die beiden Verstärker (43, 44) bildet.

5. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle mindestens eine weitere Lichtausgangsöffnung mit einem weiteren Photodetektor aufweist.

6. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle ein Gallium-Arsenid-Laser oder ein Gallium-Aluminium-Arsenid-Laser vorgesehen ist.