DE4139899A1

DE4139899A1 - Verfahren zur simultanmessung der truebung und des zeitlichen massenstromes suspendierter teilchen in fluessigkeiten

Info

Publication number: DE4139899A1
Application number: DE4139899A
Authority: DE
Inventors: Alfred Dr. O-9200 Freiberg De Hoffmann; Lutz Dr. O-8020 Dresden De Hoffmann
Original assignee: HOFFMANN ALFRED DR 9200 FREIBERG DE
Current assignee: HOFFMANN ALFRED DR 9200 FREIBERG DE
Priority date: 1991-12-04
Filing date: 1991-12-04
Publication date: 1993-06-09

Description

Titel der Erfindung

Verfahren zur Simultanmessung der Trübung und des zeitlichen Massenstromes suspendierter Teilchen in Flüssigkeiten.

Anwendung der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simultanmessung der Trü bung und des zeitlichen Massenstromes suspendierter Teilchen in Flüssigkeiten. Vornehmlich in offenen Gerinnen der Abwassertechnik aber auch in Anlagen der chemischen Industrie strömen in Rohrlei tungen zwischen einzelnen Prozeßstufen mehr oder weniger getrüb te Flüssigkeiten, die mit festen Teilchen, Schwebe- oder Sink stoffen beladen sind.

Zur Sauberhaltung natürlicher Gewässer durch Abwasserüberwachung und zur Kontrolle und Steuerung von Verarbeitungsprozessen sind als Funktionen der Zeit die momentane Fluidtrübe und die mengen mäßige Beladung der Flüssigkeit mit Partikeln von großer Bedeutung.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist bekannt, daß die Trübung von Flüssigkeiten in der industri ellen Meßtechnik mit Hilfe zahlreicher Typen von Trübungsmeßgerä ten auf optischer Grundlage bestimmt werden kann. Weil die Trübung der Flüssigkeit durch ungelöste, feindisperse Stoffe hervorgerufen wird, kann ihre Messung durch Lichtschwächung oder Lichtstreuung in einem bestimmten Meßvolumen ermittelt werden. Während die Streu lichtmethode bei Flüssigkeiten mit geringer Trübung angewendet wird (Trinkwasser), findet die Lichtabsorptionsmethode bei stärker getrübten Flüssigkeiten Anwendung (Abwasser). Weder in dem einen noch in dem anderen Verfahren kann aus dem Trübungswert der Massen strom suspendierter Teilchen in der Flüssigkeit berechnet werden.

Mittels optischer Verfahren kann auch die lokale Teilchenkonzen tration gemessen werden. Zu den bekannten Verfahren zählen dabei die Laser-Doppleranemometrie, die faseroptischen Meßmethoden und solche, die auf der Basis von Feldstörungen durch Einzelteilchen funktionieren. In der Patentschrift DE 38 21 543 wird auch ein faseroptischer Sensor zur simultanen Messung der Trübung und der Partikelkonzentration von Flüssigkeiten beschrieben. Bekannt ist auch die Vorrichtung WP DD GO1N/32 05 247 zur Bestimmung von Trübung und Partikeln in fluiden Mehrphasensystemen. Die letztgenannten, den Gegegenstand dieser Erfindung berührenden Veröffentlichungen sind dadurch gekennzeichnet, daß neben der gemessenen Trübung der Flüssigkeit die suspendierten Teilchen lediglich in einem Zählver fahren ermittelt werden. Es werden dafür auch zwei getrennte opti sche Meßkanäle unterschiedlicher Querschnitte verwendet, die mit Wechsellicht für die Trübungsmessung und mit Gleichlicht für die Konzentrationsmessung beaufschlagt werden. Trotz dieses schon er höhten Verfahrensaufwandes bleibt unbekannt, wieviel Volumen oder Masse an Feststoff in der Zeiteinheit im Strömungskanal transpor tiert werden. Der Grund ist die Unkenntnis der Teilchengeschwin digkeit im Fluid, aus der sich die Teilchengröße und der zeitliche Volumenstrom von Feststoff berechnen lassen.

Nachteilig bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Trü bungs- und Konzentrationsmessung in Flüssigkeiten ist auch, daß mit zunehmender Flüssigkeitstrübung die Einzelteilchen immer schwächer werdende Impulse an der Empfängerfläche des Konzentrationskanals verursachen und schließlich nicht mehr wahrnehmbar sind. Für die Stabilität der Signale dieser bekannten Vorrichtungen ist es auch von Nachteil, daß unvermeidbare Temperaturschwankungen der Flüssig keit nicht kompensiert werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, eine Simultan messung der Trübung und des zeitlichen Massenstromes suspendierter Teilchen in Flüssigkeiten unabhängig von ihrer Trübung zu ermög lichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß über einen faseroptischen Sendekanal ausschließlich Gleichlicht mit definier ter Wellenlänge durch das getrübte und mit Teilchen beladene Meß volumen der Flüssigkeit auf drei faseroptische Empfängerkanäle trifft; d.s. ein Trübungskanal und zwei Teilchenimpulskanäle. Am Ende des Trübungskanals wird das Licht optoelektronisch gewan delt. Die lichtäquivalente Spannung wird gemessen und die Sende leistung der Lichtquelle so nachgeregelt, daß ein konstanter Wert am Fotoempfänger unabhängig von der Größe der Trübung ständig an liegt. In einem Meßzyklus werden ca. zehn Spannungswerte aufaddiert und gemittelt. Der so erhaltene Nachregelungswert der Spannung re präsentiert die Trübung der Flüssigkeit. Zur Vermeidung tempera turbedingter Leistungsschwankungen der elektronischen Sende- und Empfängerelemente werden diese in einem wärmeleitenden Adapter mittels regelbarem Heizelement und Thermofühler mit sehr konstanter Temperatur betrieben.

Die beiden optisch-identischen Teilchenimpulskanäle werden durch zwei Lichtwellenleiter vom Durchmesser 100 . . . 200 µm gebildet, die hintereinander und parallel zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit im definierten Abstand zueinander auf der Empfängerseite des Sen sors angeordnet und an ihren Enden mit je einem Fotoempfänger ab geschlossen sind. Am ersten Kanal induzieren die Teilchen Impulse, die nach ihrer TTL-Wandlung innerhalb des gleiche Meßzyklus wie bei der Trübungsmessung gezählt werden. Parallel dazu wird die Summe ihrer Impulsbreiten gebildet und danach durch die Meßzeit dividiert. Dadurch entsteht ein konzentrations-äquivalenter Ver hältniswert zwischen Feststoff und Flüssigkeit im Meßzyklus. Die oben beschriebene Nachreglung der Lichtleistung bei zunehmender Flüssigkeitstrübe sichert dabei die Messung von Einzelimpulsen auch bei hohen Trübungswerten.

Am zweiten Kanal induzieren die Teilchen die ähnlichen Impulse, jedoch infolge des Faserabstandes zeitverschoben. Diese Zeitver schiebung wird gemessen. Turbulente Querschwankungen in der Flüs sigkeit haben Querbewegungen von sehr kleinen Teilchen auch im Meßbereich der beiden Teilchenimpulskanäle zur Folge. Das führt zu Laufzeiten zwischen beiden Kanälen, die extrem vom Mittelwert der Teilchenfolge im Meßzyklus abweichen können. Solche Fehlwerte werden rechnerisch ausgeblendet. Danach wird über die Teilchenan zahl im Meßzyklus, ihre Zeitverschiebung und den Abstand zwischen den Kanälen der Mittelwert der Teilchengeschwindigkeit gebildet.

Im folgenden Verfahrens schritt wird aus den so gemessenen und gemittelten Werten der Konzentration und der Geschwindigkeit die mittlere Teilchengröße berechnet. In der intelligenten Sonden elektronik sind die Temperaturcharakteristik des Sensors, der Nullpunkt für die Trübung im destillierten Wasser und der For mazinstandard für die Trübung hinterlegt. Mit diesen gespeicherten Größen werden schließlich die momentanen im Meßzyklus, d.s. die Trübung, die Teilchenimpulsrate, die Konzentration, die Teilchen geschwindigkeit, die Teilchengröße, der zeitliche Volumen- und/oder Massenstrom an Teilchen und die Flüssigkeitstemperatur ermittelt, gespeichert und an eine Steuereinheit übertragen.

Ausführungsbeispiel

Wie das Verfahren im einzelnen strukturiert und wie eine zu seiner Umsetzung benötigte Vorrichtung beschaffen sein kann, ergibt sich aus der nachstehenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist. In den zugehörigen Zeich nungen zeigen:

Fig. 1 die optische Wirkungsfläche der Empfängerseite eines Sensors,

Fig. 2 die prinzipielle Schaltung der Simultanmessung.

Die getrübte Flüssigkeit und die in ihr suspendierten Teilchen be wegen sich in Strömungsrichtung 1 entlang der optischen Wirkungs fläche 2 der Empfängerseite eines Sensors. Auf das bekanntermaßen großflächige Lichtfaserbündel 3 trifft Gleichlicht einer Sendedi ode 4 infolge der Flüssigkeitstrübung mit abgeschwächter Intensi tät auf. Nach optoelektronischer Wandlung im Fotoempfänger 9 für die Trübung wird die lichtäquivalente Spannung ermittelt und mit dem Stromregler 10 die Leistung der Sendediode 4 so nachgeregelt, daß ein stets konstanter Wert am Fotoempfänger 9 anliegt. Im Rech ner 11 werden je Meßzyklus ca. zehn Nachreglungswerte aufaddiert, gemittelt und als Äquivalenzwert für die Trübung gespeichert. Die Leistungskonstanz der Sendediode 4 und der Fotoempfänger 9, 12 und 13 sichert ihre Anordnung in einem wärmeleitenden Adapter 14, in dem ein regelbares Heizelement und ein Temperaturfühler integriert sind.

Die Teilchenimpulskanäle werden durch die Lichtleitfasern 5 und 6 dargestellt. Sie sind beide optisch-identisch vom Durchmesser 7 und im Abstand 8 parallel zur Strömungsrichtung 1 angeordnet. An ihren Enden sind die Fotoempfänger 12 und 13 angekoppelt. Die Teil chenimpulse an der Lichtleitfaser 5 werden nach ihrer Wandlung im Fotoempfänger 12 als TTL-Impulse im Rechner gezählt. Gleichzeitig wird ihre Impulsbreitensumme gebildet und durch die trübungs-simul tane Meßzeit dividiert. Das liefert den Konzentrationswert. Die Teilchenimpulse an der Lichtleitfaser 6 treten ähnlich, aber auf Grund des Faserabstandes 8 zeitverschoben auf. Diese Zeitverschie bung der Impulse wird im Rechner 11 gemessen. Dort sind auch zuläs sige Abweichungen der Zeitverschiebung hinterlegt, deren Über- oder Unterschreitungen in der folgenden Mittelwertbildung unberücksich tigt bleiben. Mit dem ebenfalls im Rechner 11 hinterlegten Faserab stand 8 und der gemittelten Zeitverschiebung ergibt sich die mitt lere Teilchengeschwindigkeit im Meßvolumen der Flüssigkeit. Im Rechner sind ferner die Temperaturcharakteristik des Sensors, der Nullpunkt für die Trübung und ihr Formazinstandard gespeichert. Damit werden schließlich die momentanen Größen im Meßzyklus, d.s. die Trübung in FAU, die Teilchenimpulsrate in 1/s, die Konzentra tion in %, die Teilchengeschwindigkeit in m/s, die Teilchengröße in µm, der zeitliche Teilchenvolumen- und/oder Massenstrom in l/h oder kg/h und die Flüssigkeitstemperatur ermittelt, gespeichert und an die Steuereinheit 15 übertragen.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

1 Strömungsrichtung der Flüssigkeit und der Teilchen,
2 Optische Wirkungsfläche der Empfängerseite eines Sensors,
3 Lichtfaserbündel für die Trübungsmessung,
4 Sendediode,
5 Lichtleitfaser,
6 Lichtleitfaser,
7 Lichtleitfaserdurchmesser,
8 Abstand der Lichtleitfasern 5 und 6,
9 Fotoempfänger für die Trübungsmessung,
10 Stromregler,
11 Rechner,
12 Erster Fotoempfänger für die Teilchenimpulse,
13 Zweiter Fotoempfänger für die Teilchenimpulse,
14 Wärmeleitender Adapter,
15 Steuereinheit,
16 Verstärker.

Claims

Verfahren zur Simultanmessung der Trübung und des zeitlichen Mas senstromes suspendierter Teilchen in Flüssigkeiten, gekennzeichnet dadurch,
daß innerhalb eines Meßzyklus mittels Gleichlicht an dem auf einer optischen Wirkungsfläche (2) der Empfängerseite eines Sensors angeordneten Lichtfaserbündel (3) mit angekoppelten Fotoempfänger (9) die Trübung der Flüssigkeit durch die gleichlicht-äquivalente Spannung am Fotoempfänger (9) gemessen und
durch Nachregeln der Sendeleistung der Sendediode (4) mittels Strom regler (10) ein unabhängig von der Flüssigkeitstrübung stets kon stanter Spannungswert am Fotoempfänger (9) erreicht,
die Trübung in einem Meßzyklus aus ca. zehn Spannungswerten am Foto empfänger (9) gemittelt und mit dem im Rechner (11) hinterlegten Formazinstandard für die Trübung korreliert und in Trübungseinhei ten FAU ausgewiesen und
an den beiden optisch-identischen, im Abstand (8) hintereinander und parallel zur Strömungsrichtung (1) innerhalb des Lichtfaserbün dels (3) angeordneten Lichtleitfasern (5) und (6) mit ihren ange koppelten Fotoempfängern (12) und (13) die Teilchenimpulsrate und infolge des Faserabstandes (8) die Zeitverschiebung der Teilchen impulse gemessen,
dabei die Sendediode (4) und die Fotoempfänger (9), (12) und (13) in einem wärmeleitenden Adapter (14) mittels Heizelement und Tem peraturfühler regelbar temperaturkonstant gehalten und
aus den gemessenen Werten die Teilchengeschwindigkeit, die Teilchen konzentration, die mittlere Teilchengröße und der zeitliche Volumen- und/oder Massenstrom der Teilchen verknüpft und
die durch turbulente Querbewegungen von Teilchen innerhalb des Faserabstandes (8) auftretenden Fehlwerte der Zeitverschiebung der Teilchenimpulse im Rechner (11) hinterlegt und bei der Teil chengeschwindigkeitsberechnung ausgeblendet werden.