DE3686029T2 - Vorrichtung zur unterscheidung von fluessigkeiten unterschiedlicher brechzahlen und vorrichtung zur messung des volumenverhaeltnisses mindestens einer fluessigkeit in einem strom nichtmischbarer fluessigkeiten mit verwendung derselben. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Unterscheidung von Fluiden mit unterschiedlichen Brechzahlen und eine Vorrichtung zur Messung des Volumenanteils wenigstens eines Fluids eines Stroms von nicht mischbaren Fluiden in Anwendung dieses Verfahrens. Mit dem in dieser Beschreibung verwendeten Begriff "Strom" ist eine Relativbewegung der Fluide des Stroms bezüglich des Fühlers einer Unterscheidungs- oder Meßvorrichtung gemeint.
• Die Funktionsweise einer solchen Vorrichtung zur Unterscheidung von Fluiden beruht auf dem Unterschied der Brechzahlen, beispielsweise zwischen einem Gas oder dem Vakuum (Brechzahl = 1) und einer Flüssigkeit (bei Wasser 1,3). Wenn nämlich ein Lichtstrahl, der sich in einer Mehrmodenlichtleitfaser fortpflanzt, ihr Ende erreicht, hängt die Brechzahl des Strahls von der Differenz der Brechzahlen der Faser und des äußeren Mediums ab, das mit dem Ende der Faser in Kontakt ist. Auf diese Weise kann man durch Messung des zurückkehrenden Lichts zu jedem Zeitpunkt die Brechzahl des mit dem Ende der Faser in Kontakt befindlichen Fluids und damit die Natur dieses Fluids (Gas oder Flüssigkeit) ableiten. Durch Ermittlung eines Mittelwerts in der Zeit erhält man den örtlichen Volumenanteil jedes Fluids in dem Strom in Höhe des Endes der Sonde und kann in Abhängigkeit von dem gewählten hydraulischen Modell den Volumenanteil in einem gewissen erweiterten Volumen um das Ende der Faser herum erhalten.
• Bekannte Vorrichtungen, die diese Funktion erfüllen, bestehen aus einem Gaslaser, beispielsweise einen Helium-Neon-Laser, dessen Strahl in einer Mehrmodenlichtleitfaser über optische Kupplungseinrichtungen (Linse) nach Durchquerung einer Teilerplatte gekuppelt ist, wobei diese Faser direkt als Meßsonde verwendet wird. Der reflektierte Strahl wird von einem Photovervielfacher aufgenommen. Die Verwendung eines Photovervielfachers, die wegen der optischen Verluste der Kette erforderlich ist, und seine Verbindung mit einem Gaslaser und mit optischen Kupplungselementen erfordern mechanische Montagen und führen zu einer relativ empfindlichen Vorrichtung mit großen Abmessungen. Außerdem kann die Meßsonde, die strengen Umgebungsbelastungen ausgesetzt ist, aufgrund der Konstruktion mit einer einzigen Faser nur ausgetauscht werden, indem die Vorrichtung vollständig demontiert wird. Da der Laser ferner ein kontinuierlicher Laser ist, kann das zurückkehrende Licht nicht ohne eine kostspielige, empfindliche, umfangreiche oder begrenzende Zusatzvorrichtung vom Umgebungslicht unterschieden werden, so daß dieses auf einem ausreichend niedrigen Niveau gehalten werden muß.
• In der Patentschrift DE-A-3 302 089 wird eine Vorrichtung zur Unterscheidung von Fluiden mit verschiedenen Brechzahlen beschrieben. Diese bekannte Vorrichtung besitzt einen Lichtleitfaser-Kuppler mit drei Enden, mit denen eine Halbleiter-Lichtquelle mit modulierter Stärke, ein Halbleiter-Photoempfänger bzw. eine optische Sonde verbunden sind, die aus einer Mehrmodenlichtleitfaser mit demselben Brechzahlenprofil wie die Fasern des Kupplers besteht.
• Aus Patent Abstracts of Japan, Band 3, Nr. 113 (E-139), 19. September 1979, Seite 3, E 139, und JP-A-5 489 680 (Matsushita Denki Sangyo K.K.) vom 16.07.79 ist ferner ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Messung mit einem optischen Kuppler, einer Lichtquelle, einem Photoempfänger und einer optischen Sonde bekannt.
• Ziel der Erfindung ist es, eine Unterscheidungsvorrichtung zu schaffen, mit der die optischen Verluste verringert werden können, die geringe Abmessungen und eine geringe Empfindlichkeit besitzt, deren Rauschabstand hoch ist und deren Anstiegszeit kurz ist.
• Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Unterscheidung von Fluiden unterschiedlicher Brechzahlen, bestehend aus einem Lichtleitfaser-Kuppler mit drei Enden, mit denen eine Halbleiter-Lichtquelle, deren Helligkeit moduliert ist, ein Halbleiter-Photoempfänger und eine optische Sonde verbunden sind, die aus einer Mehrmodenlichtleitfaser mit demselben Brechzahlenprofil wie die Lichtleitfasern des Kupplers besteht, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das Ende der Lichtleitfaser eine durch Warmziehen erhaltene Spitzenform hat.
• Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform ist die Modulationsschaltung der Lichtquelle mit einem Synchronverstärker zum Demodulieren und Filtern des Ausgangssignals des Photoempfängers verbunden, und die Unterscheidungsvorrichtung besitzt ferner eine Stufenunterscheidungsschaltung mit einer oder mehreren vorbestimmten Schwellen, die das Ausgangssignal des Synchronverstärkers aufnimmt.
• Eine solche Unterscheidungsvorrichtung findet eine zweckmäßige Anwendung in einer Vorrichtung zum Messen des Volumenanteils wenigstens eines Fluids eines Stroms von nicht mischbaren Fluiden mit einer Stufenunterscheidungsvorrichtung und einer Schaltung zum Integrieren des Ausgangssignals der Stufenunterscheidungsschaltung.
• Zum besseren Verständnis der Erfindung wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel beschrieben, das in der beiliegenden Zeichnung dargestellt ist. Es zeigen:
• Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Meßvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Unterscheidungsvorrichtung,
• Fig. 2 eine schematische Darstellung eines in der Vorrichtung von Fig. 1 verwendeten optischen Kupplers,
• Fig. 3 eine schematische Darstellung der in der Vorrichtung von Fig. 1 verwendeten Lichtleitfaser,
• Fig. 4a-c Darstellung der Signale an verschiedenen Punkten der Vorrichtung von Fig. 1.
• Die Meßvorrichtung von Fig. 1 besitzt eine mit einer Zündfaser versehene Elektrolumineszenzdiode 1, die die Lichtquelle bildet (diese Lichtquelle kann ggf. durch einen Halbleiterlaser ersetzt sein), einen Photoempfänger 2 und eine Erfassungs-Lichtleitfaser oder Meßsonde, wobei diese Elemente durch einen Lichtleitfaser-Kuppler 4 miteinander verbunden sind. Die Merkmale der Lichtleitfaser, die vorzugsweise eine Gradientenfaser ist, sind mit denen der Diode verbunden. Alle Lichtleitfasern der Vorrichtung haben dasselbe Brechzahlenprofil.
• Dieser Kuppler besitzt 4 Faserenden 5 bis 8, und sein Aufbau ist schematisch in Fig. 2 gezeigt. Er besteht aus zwei Lichtleitfasern, deren Kerne 4' und 4'' entweder durch thermische Schmelzung in optische Wechselwirkung gebracht werden oder durch Polieren und Inkontaktbringen der Teile der beiden Fasern, die miteinander in Wechselwirkung treten sollen. Die vier Enden der Fasern haben paarweise symmetrische Funktionen: das auf das Faserende 5 übertragene Licht wird somit durch die miteinander in Wechselwirkung stehenden Faserabschnitte in gleicher Weise auf die beiden Faserenden 7 und 8 verteilt. Das Ende 6 erfüllt dieselbe Funktion wie das Ende 5, und auf dieselbe Weise ist die Seite 7, 8 symmetrisch zur Seite 5, 6, wenn die Fortpflanzungsrichtung umgekehrt wird.
• Beispielsweise können alle Fasern der Vorrichtung Gradientenfasern vom Typ 100-140 sein und die Elektrolumineszenzdiode kann mit einer Leistung von 100 Mikrowatt am Zündfaserende gewählt werden.
• Wie Fig. 1 zeigt, ist das Ende des Kupplers 4 mit der Diode 1 über eine Spleißung 9 verbunden und das Ende 6 ist mit dem Photoempfänger 2 verbunden. Der Photoempfänger kann auch einfach mechanisch gegenüber dem Ende der Faser 6 positioniert sein.
• Die Lichtleitfaser 3 ist mit dem Ende 7 des Kupplers über einen optischen Verbinder 10, beispielsweise von dem von der Firma Amph nol vertriebenen Typ SMA 906 oder 905 verbunden, was den einfachen und schnellen Ausbau der Meßsonde, ihren bequemen Austausch und ggf. die Anbringung einer Verlängerung gestattet. Diese Verbindung ist brechzahlangepaßt, d. h. zwischen den beiden Verbinderteilen befindet sich ein Flüssigkeitsfilm 11, dessen Brechzahl gleich der mittleren Brechzahl des Kerns der Fasern ist. Auf diese Weise gibt es keine durch den Verbinder verursachte Störreflektion. Ebenso ist das letzte Faserende 8 des Kupplers 4 mit einem brechzahlangepaßten Kleber 12 beschichtet (d. h. einem Kleber, dessen Brechzahl gleich der der Faser ist). Auf diese Weise wird das sich in diesem Faserende fortpflanzende Licht am Ende der Faser nicht reflektiert und erzeugt somit kein Störsignal. Dieses Faserende kann natürlich auch mit einer anderen optischen Sonde verbunden sein, indem ein optischer Verbinder zwischen diesem mit Kleber beschichteten Ende und dem optischen Kuppler vorgesehen wird. Man kann auch einen optischen Kuppler vorsehen, der mehr als zwei Fasern besitzt, deren Kerne in eine optische Wechselwirkung gebracht sind.
• Die Art, auf die das Ende der Sondenfaser 3 behandelt ist, hat eine sehr große Bedeutung für die Arbeitsweise der Vorrichtung. Wenn die Sonde nämlich einfach das gespaltene Ende einer Lichtleitfaser ist, können hydrodynamische Effekte den Betrieb der Vorrichtung stören. Wenn die plane Fläche der Faser aus dem flüssigen Medium in das gasförmige Medium eintritt, findet eine allmähliche Trocknung statt, die bewirkt, daß das Reflexionssignal langsam mit der Geschwindigkeit, in der die Flüssigkeit trocknet, ansteigt. Dieser Effekt ist mit Kapillarerscheinungen an der Oberfläche des Endes 3a der Faser 3 verbunden. Er tritt nicht auf, wenn das Ende der Faser 1 durch Ziehen des gespitzten Endes 3a dünn genug gemacht wird. Dieses Ziehen wird durch Erwärmen der Faser bis zu ihrem Erweichungspunkt und Ausüben eines Zugs auf die Faser durchgeführt. Das Ergebnis ist ein Ende konischer Form, dessen Spitzenwinkel sehr gering ist (kleiner als 100). Diese Herstellungsmethode gestattet die Beibehaltung des Kern-Mantel-Aufbaus der Faser bis zum Ende des Kegels. Dieses Ende besitzt ferner einen äußerst geringen Krümmungsradius (kleiner als 20 Mikrometer). Ein auf diese Weise ausgebildetes Faserende hat folgende Eigenschaften:
• - vollständiges Fehlen eines Trocknungseffekts; der Krümmungsradius des Endes ist nämlich so gering, daß die Kappilarkräfte nicht ausreichen, um einen Flüssigkeitstropfen an der Spitze der Faser zu halten. Die mit den Kapillarwirkungen verbundene Verlängerung der Ansprechzeit des Fühlers wird auf diese Weise vollständig ausgeschaltet;
• - ein Reflektionskoeffizient, der sehr nahe bei 1 liegt, wenn das Ende sich in einem gasförmigen Medium befindet. Durch die Beibehaltung des Aufbaus der Faser im konischen Bereich und die gesteuerte Warmformung des Endes kann nämlich eine vollständige innere Reflexion des gesamten Lichtstrahls am Faserende erreicht werden, wenn dieses sich in einem gasförmigen Medium befindet. Dies verbessert die Qualität des zurückkehrenden Signals erheblich und erleichtert die Verarbeitung;
• - eine sehr geringe Zeit des Flüssigkeits-Gas- und Gas-Flüssigkeits-Übergangs aufgrund der geringen Größe der Interaktionszone.
• Diese Art der Herstellung ist im übrigen relativ einfach durchzuführen, und man erreicht mit ihr sehr gute Fertigungsleistungen sowie eine gute Reproduzierbarkeit der Merkmale.
• Die Elektrolumineszenzdiode 1 ist mit einer elektronischen Niederspannungstechnologie für ihre Speisung und ihre Modulierung kompatibel, deren Vorteile im nachstehenden genannt werden. Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung besitzt hierbei einen Taktsignalgenerator 13, dessen erster Ausgang mit einer Modulierschaltung 14 verbunden ist. Der Ausgang der Schaltung 14 ist mit dem Eingang der Elektrolumineszenzdiode verbunden und gestattet die Modulierung des gesendeten Lichts. Die Modulierfrequenz ist so gewählt, daß sie etwa 10 mal größer als der Kehrwert der gewünschten Anstiegszeit des Ausgangssignals des Photoempfängers ist, und zwar beispielsweise 1 MHz bei einer Anstiegszeit von 10 Mikrosekunden. Die Diode 1 überträgt moduliertes Licht über den Kuppler 4 auf die Lichtleitfaser 3, und das Licht,das am Ende der Faser in Abhängigkeit von der Brechzahl des mit der Spitze der Faser 3 in Kontakt stehenden Mediums reflektiert wird, wird vom Photoempfänger 2 erfaßt, nachdem es den Kuppler 4 durchquert hat. Der Ausgang des Photoempfängers 2 ist mit einem Synchronverstärker 15 verbunden, der die Demodulierung des zurückkehrenden erfaßten Lichts oder Nutzsignals gestattet. Diese Modulierung wird durch Multiplizierung des zurückkehrenden Signals mit dem Ausgangssignal der Taktschaltung 13 und durch Filtern des gebildeten Signals durch ein im Verstärker 15 enthaltenes Tiefpaßfilter vorgenommen. Man erhält auf diese Weise eine vollkommene Unempfindlichkeit für das umgebende Licht und einen hohen Rauschabstand.
• Das vom Photoempfänger gelieferte analoge Signal enthält somit im wesentlichen zwei elektrische Stufen: die der flüssigen Phase entsprechende Stufe und die der Gasphase entsprechende Stufe. Dieses analoge Signal am Ausgang A des Verstärkers 15 ist in Fig. 4A dargestellt. Eine Stufenunterscheidungsschaltung 16 mit einer Schwelle gestattet es, an ihrem Ausgang B ein logisches Signal mit zwei Zuständen auftreten zu lassen, das in Fig. 4B dargestellt ist. Die elektrischen Spannungen dieser beiden Zustände sind hierbei genau bekannt. Es ist natürlich auch möglich, mit Hilfe einer Unterscheidungsschaltung mit mehreren Schwellen mehr als zwei Fluide mit verschiedenen Brechzahlen zu unterscheiden. Das Signal am Punkt B kann in zweckmäßiger Weise für eine Korngrößenbestimmung des Stroms verwendet werden. Von den Messungen der Zeiten, während denen das Signal im oberen Zustand ist (oder im unteren Zustand oder auf einer bestimmten Stufe), kann man den Durchmesser der Gasoder Vakuumblasen des Stroms ableiten, indem man diese Messungen durch die Strömungsgeschwindigkeit des Stroms dividiert. Durch anschließende Erstellung eines Diagramms der Verteilung in Abhängigkeit von der Anzahl Blasen jeden Durchmessers für eine Serie von vorbestimmten Durchmessern erhält man eine Korngrößenbestimmung des Stroms.
• Eine zweckmäßige Anwendung einer solchen Unterscheidungsvorrichtung ist die Messung des Volumenanteils wenigstens eines Fluids eines Stroms von nicht mischbaren Fluiden, d. h. es besteht eine Relativbewegung des Stroms bezüglich der Lichtleitfasersonde. Zu diesem Zweck integriert man das zwei Zustände annehmende Ausgangssignal der Schaltung 16 mittels einer Integrierschaltung 17, um an deren Ausgang C einen Wert des örtlichen Gasvolumenanteils im Strom zu erhalten (Fig. 4C), der aufgrund des Fehlens eines Rauschens bei dem logischen Signal und der Präzision, mit der die Spannungen der beiden logischen Zustände gesteuert werden können, äußerst genau ist. Man kann dieses logische Signal auch für Zähloperationen oder für die Messung der Dauer von zwei Phasen verwenden.
• Man kann bei der Basismeßvorrichtung eine gewisse Anzahl von zusätzlichen Funktionen vorsehen, um ihre Verwendung einfacher zu gestalten:
• - die Visualisierung der Stufe des analogen Signals durch eine Lichtskala mit Hilfe einer Anzeigeschaltung 18 und einer Reihe von Elektrolumineszenzdioden 19. Man sieht auf diese Weise mit einem Blick die beiden analogen Stufen, die der Flüssigkeit und dem Gas entsprechen;
• - die numerische Anzeige des Gasvolumenanteils durch Filtern des logischen Signals mittels einer Anzeigeschaltung 20 und einer Anzeige mit bespielsweise 3 Digits;
• - die Einstellung des Offset und des Verstärkungsfaktors des Verstärkers zur Kompensierung einer Störreflektion aufgrund eines fehlerhaften Verbinders bzw. des optischen Verlusts an einem sehr langen Verbinder oder einer sehr langen Faser. Die Wirkung der Einstellung wird durch die Lichtskala sichtbar gemacht, so daß diese Einstellung schnell und einfach durchzuführen ist.
• Die oben beschriebene Vorrichtung zur Unterscheidung von Fluiden mit verschiedenen Brechzahlen besitzt zahlreiche Vorteile gegenüber den Meßvorrichtungen des Stands der Technik. Diese Vorteile sind u. a. ein Aufbau unter Verwendung von preiswerten Bauelementen mit geringen Abmessungen, wobei der gesamte optische Teil der Vorrichtung ein Volumen von 10 bis 20 cm3 einnehmen kann, einen hohen Reflektionsgewinn der Sonde und eine sehr geringe optische Anstiegszeit infolge des gezogenen Endes der Sondenfaser, einen einfachen Ausbau der Sondenfaser (beispielsweise für ihren Austausch) dank des optischen Verbinders 10, einen sehr großen Rauschabstand dank der synchronen Modulation-Demodulation und Möglichkeiten zur Beschaffung von zahlreichen Informationen, die ihre Verwendung in einer Vorrichtung zur Messung des Volumenanteils wenigstens eines Fluids eines Stroms von nicht mischbaren Fluiden erleichtern.
• Diese Unterscheidungs- und Meßvorrichtungen finden zahlreiche Anwendungen bei Aerosolen (Korngrößenbestimmung der Tröpfchen, die in einem Gas in Suspension sind, beispielsweise in Nebeln oder Gemischen für Vergaser von Verbrennungsmotoren), für die Messung und Steuerung des Wirkungsgrads eines thermodynamischen Niedertemperaturzyklus der Wasser-Dampf-Mischung oder in Mischungen von nicht mischbare Flüssigkeiten in der chemischen Industrie, Nahrungsmittelindustrie und erdölchemischen Industrie (Wasser-Erdöl-Strom).

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Unterscheidung von Fluiden unterschiedlicher Brechzahlen, bestehend aus einem Lichtleitfaser- Kuppler (4) mit drei Enden, mit denen eine Halbleiter- Lichtquelle (1), deren Helligkeit moduliert ist, ein Halbleiter-Photoempfänger (2) und eine optische Sonde verbunden sind, die aus einer Mehrmodenlichtleitfaser (3) mit demselben Brechzahlenprofil wie die Lichtleitfasern des Kupplers besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende (3a) der Lichtleitfaser eine durch Warmziehen erhaltene Spitzenform hat.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (3a) nach dem Ziehen von einem Regel mit einem Spitzenwinkel von weniger als 100 gebildet ist, dessen Kern-Mantel-Aufbau bis zum Ende der Spitze (3a) beibehalten ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Kegels einen Krümmungsradius von weniger als 20 u hat.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (3) der Sonde eine Faser mit Brechzahlgradient ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung des Endes (7) des Kupplers (4) mit der Lichtleitfaser (3) einen optischen Verbinder (10) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein flüssiger Film (11)1 dessen Brechzahl gleich der mittleren Brechzahl des Kerns der Lichtleitfasern ist, zwischen den beiden trennbaren Teilen des optischen Verbinders (10) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsfrequenz der Lichtquelle (1) über etwa 500 kHz liegt.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsschaltung (13) der Lichtquelle (1) mit einem synchronen Verstärker (15) zum Demodulieren und Filtern des Ausgangssignals des Photoempfängers (2) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Stufenunterscheidungsschaltung (16) mit einer oder mehreren vorbestimmten Schwellen, die das Ausgangssignal des synchronen Verstärkers (15) aufnimmt.

10. Vorrichtung zur Messung des Volumenanteils wenigstens eines Fluids eines Stroms von nicht mischbaren Fluiden mit einer Stufenunterscheidungsschaltung für die Unterscheidung von Fluiden und einer Schaltung (17) zum Integrieren des Ausgangssignals der Unterscheidungseinrichtung, wobei die Unterscheidungsschaltung die in Anspruch 9 beanspruchte Schaltung ist.