FI113018B - Menetelmä anturin puhdistamiseksi ultraäänivärähtelijällä ja vastaava anturi - Google Patents

Description

113018

MENETELMÄ ANTURIN PUHDISTAMISEKSI ULTRAÄÄNIVÄRÄHTELIJÄLLÄ JA VASTAAVA ANTURI

Keksinnön kohteena on menetelmä anturin puhdistamiseksi ultraää-5 nivärähtelijällä halutun puhdistustason saavuttamiseksi, jossa primaarianturia värisytetään pesujaksossa ultraäänivärähtelijän avulla, ja menetelmän toteuttava anturi.

Nesteessä olevien pintojen, kuten erityisesti prosessimittalait-10 teiden, puhdistamisessa käytetään ultraäänitekniikkaa yleisesti hyväksi välillisessä ja välittömässä puhdistuksessa. Välillisessä puhdistuksessa ultraääni johdetaan väliainetta (esim. nestettä) hyväksikäyttäen puhdistuskohteeseensa ja välittömässä puhdistuksessa ultraäänianturi on kiinteässä kontaktissa primaa-15 risen mitta-anturin kanssa. Kavitaatioon perustuvassa puhdistuksessa äänikentässä syntyneiden kaasukuplien voimakas luhistuminen aiheuttaa nestepaineiskun vaikutuksen kohdepinnassa.

Monissa prosessiteollisuuden kohteissa mitta-antureiden likaan-20 tuminen heikentää tuottavuutta lisäämällä esimerkiksi kunnossapidollisten toimenpiteiden tarvetta. Useissa prosesseissa nämä toimenpiteet ovat tuotannon pullonkauloina, eikä läheskään kaikkiin ongelmiin löydy markkinoilta tyydyttäviä ratkaisuja.

• 1 ..· Antureiden ja elektrodien likaantuminen vaikeuttaa esim. johto- 25 kyvyn ja pH:n luotettavaa mittaamista paperikoneilla. Tällä , * * V t · · hetkellä mittauksiin liittyviä pintoja pyritään pitämään puhtai- Γ*: na vaikuttamalla itse prosesseihin ja pintojen fysikaalis- ‘ kemiallisiin ominaisuuksiin. Pintojen puhtaanapitoon käytetään mm. kemiallisia pesuja, vesihöyryä, paineilmaa tai -vettä tai ·:*: 30 muita mekaanisia irrotustapoja. Yleisesti ottaen mittauksiin • liittyvien kriittisten pintojen puhdistustekniikat eivät ole :kehittyneet muun prosessiautomaation ja mittaustekniikan myötä, .. eikä tehtyjä investointeja voida näin ollen täysipainoisesti ,,,‘Γ hyödyntää. Esimerkiksi paperiteollisuuden monet vesipohjaiset | ” 35 prosessit, puhdistamovesijärjestelmät ja kemianteollisuuden *· '_* prosessit ovat herkkiä kemiallisten ja mikrobiologisten saostu- • · 2 113018 mien muodostumiselle ja juuri näissä kohteissa puhdistusmenetelmien tarve onkin merkittävä.

Julkaisussa US-3,771,361 on esitetty ratkaisu, jossa sähkömag-5 neettisen virtausmittarin elektrodien puhtaanapito tapahtuu ultraäänellä. Tässä kerrosmaisesti rakennettu ultraäänivärähte-lijä on sijoitettu elektrodin sisään ja värähtely johdetaan ohuen seinämän välityksellä puhdistettavalle elektrodipinnalle.

10 Patenttijulkaisussa US-5,889,209 on esitetty menetelmä esimerkiksi liuenneen hapen määritykseen tarkoitetun anturin kalvopin-nan biologisen likaantumisen ehkäisyyn. Tässä ratkaisussa puhtaanapito suoritetaan nesteen kautta puhdistettavalle pinnalle tuotavalla ultraäänivärähtelyllä, jota käytetään jaksoittain. 15

Julkaisussa GB-2269674 on esitetty menetelmä esimerkiksi liuenneen hapen mittaukseen tarkoitetun sähkökemiallisen anturin kalvopinnan puhdistamiseksi, joka suoritetaan anturin kalvopin-nan alapuolelle sijoitetuilla pietsosähköisellä kiteellä väris-20 täen kalvoa ja nestettä kalvopinnan läheisyydessä.

, Julkaisussa US-4,092,858 on esitetty meritutkimuksessa käytettä- ’; ’ ··* vä anturi, joka osaa puhdistaa itse itsensä. Kiteisestä aineesta ; • ...* valmistettu anturi hyödyntää pietsosähköistä ilmiötä ja värähte- • * * • ; : : 25 lee lähellä resonanssitaajuuttaan, jolloin anturin pinta puhdis- ^ · ’ ”· tuu vieraista aineista.

* 5 . ·

Edellä olevien patenttijulkaisujen perusteella voidaan todeta, ♦ ""· että antureiden toimintakuntoa ei edellä esitetyissä julkaisuis- : 30 sa kuvatuilla menetelmillä ja välineillä kyetä millään muotoa luotettavasti tarkkailemaan. Anturin puhdistamisen jälkeen saatavista mittaustuloksista ei kyetä luotettavasti toteamaan ...J anturin toimintakuntoa ja todellista puhtausastetta. Puhdistus- ,f. “ jaksosta huolimatta anturi saattaa olla edelleen likainen tai ! *'»* · ’35 värähtelijä saattaa olla rikki. Anturi, joka ei toimi oletetulla 3 113018 tavalla, välittää väärää tietoa mittaamistaan prosessisuureista. Tämä aiheuttaa prosessiin ongelmia ja epätaloudellisuutta.

Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada uudenlainen mene-5 telmä anturin puhdistamiseksi ultraäänivärähtelijällä halutun puhtaustason saavuttamiseksi, jossa primaarianturia värisytetään ultraäänivärähtelijän avulla. Keksinnön mukaisen menetelmän tunnusomaiset piirteet on esitetty patenttivaatimuksessa 1 ja anturin tunnusomaiset piirteet patenttivaatimuksessa 4. Keksin-10 nön mukaisella menetelmällä parannetaan merkittävästi anturin toimintavarmuutta. Keksinnön mukaisessa menetelmässä primaarian-turin tai ultraäänivärähtelijän signaalin vaste palautetaan ja tulkitaan valitulla kriteerillä. Kriteeri voidaan asettaa joko itse primaarianturin signaalille tai ultraäänivärähtelijästä 15 saatavalle signaalille. Keksinnön mukaiseen anturiin on sovitettu väylä signaalin vasteen palauttamiseksi ja välineet signaalin vasteen tulkitsemiseksi.

Keksinnön mukaisella menetelmällä parannetaan merkittävästi 20 anturin toimintavarmuutta, jolloin tämän epäkuntoisuudesta saadaan välitön informaatio ja tämän perusteella voidaan ryhtyä > · 'ϊ toimenpiteisiin vian korjaamiseksi. Ultraäänivärähtelijä on i J · edullisesti integroitu anturin yhteyteen kiinteäksi rakenteeksi, jolloin puhdistusteho voidaan välittää suoraan anturille.

: : 25 • ”* Keksintöä kuvataan seuraavassa yksityiskohtaisesti viittaamalla « * ' oheisiin keksintöä kuvaaviin piirroksiin, joiden yksityiskohtiin , keksintöä ei ole rajoitettu « * · a 30 Kuvat la ja Ib esittävät keksinnön mukaisia anturin v mittaus- ja pesurielektroniikan kytken- i » , töjä mittauksen ja pesun aikana, * « ' » a , ,· Kuvat 2a ja 2b esittävät kuvien la ja Ib mukaisen an- * turin ydinosan rakennetta ja sähköisiä I ;i ·; 35 kytkentÖ3ä.

i 4 113018

Kuvissa la ja Ib esitetään periaatteellisesti keksinnön mukaista menetelmää hyödyntävän anturin mittaus- ja pesuelektroniikan kytkennät primaarisen ultraäänianturin yhteydessä. Primaariantu-rina on leikkaus-paksuusmoodin (Thickness Shear Mode, TSM) 5 kvartsikideresonaattori 11, jonka avulla voidaan mitata kiteen pinnan läheisyydessä olevan ainekerroksen viskositeetin ja tiheyden tulon lisäksi kiteen pinnan läheisyydessä olevan ainekerroksen viskoelastisuutta ja kiteen pintaan tarttuvaa ja siitä irtoavaa kiinteää massaa. Viimeksi mainitut suuret ovat 10 edullisia mm. selvitettäessä ultraäänipesurin pesutehoa. Todellisessa käyttökohteessa voi viskositeetin mittaukseen soveltuvan primaarianturin tilalla toimia myös esimerkiksi pH:n tai lämpötilan mittaukseen soveltuva anturi.

15 Prototyypin primaarianturissa 11 käytetään 10MHz:n ominaisväräh-telytaajuuden TSM-kvartsikiteitä 11.1, joilla on mitattavissa perusresonanssin lisäksi harmonisia monikertoja. Näiden tasopin-toihin on valmistettu kultaelektrodit 11.2. Kidelevyn 11.1 paksuus on esimerkin mukaisessa primaarianturissa 160 pm ja 1 20 kultaelektrodien 11.2 paksuus noin 200 nm. Pesuun käytettävä * 1 ;'.j ultraäänivärähtelijä 10 voidaan rakentaa kahdesta rengaspietsos- ta, jotka värähtelevät esimerkiksi noin 50 kHz-.n taajuudella. Pesuresonaattoreille 10.1, 10.2 (kuvassa 2a) on järjestetty tehoyksikkö, joka koostuu 50 kHz:n värähtelijöille modifioidusta 1 9 · :··· 25 taajuusgeneraattorista 13. Taajuusgeneraattorin 13 tuottaman ' signaalin amplitudi asetetaan tehoa säätämällä.

· ·

Puhdistusvärähtely tuotetaan kahden pietsokeraamiresonaattorin • · 10.1, 10.2 tuottaman värähtelyn avulla siten, että niiden • 30 värähtely johdetaan kiinteitä rakenteita pitkin primaarianturiin » t } » · · 11. Kuviin la ja Ib on piirretty vain toinen pesuresonaattori > · 10.1. Kuvassa la on esitetty kytkentä mittausasennossa. Tällöin resonaattorin 10 kytkennät 22.1 ja 22.2 ovat avoimet. Kun pesujakso tulee suoritukseen, niin kvartsikiteen 11 elektrodit » > t . 35 11.2 menevät oikosuljettuun tilaan ja piiri/spektrianalysaattori 5 113018 tai muu mittauselektroniikka-yksikkö (ei esitetty) kytketään irti (kuva Ib).

Kuvassa 2a on esitetty anturin ydinosan rakenne ja sähköiset 5 kytkennät. Signaalijohtimen 19 toinen pää on sähköisesti liitetty kvartsikiteen 11.1 yläelektrodiin 11.2' kiinnitysruuviin 18 poratun reiän kautta. Signaalijohtimella 19 välitetään mittasuu-retta vastaava primaarianturin 11 taajuus pii-ri/spektrianalysaattorille tai vastaavalle (ei esitetty). 10 Resonaattori 10.1 saadaan tiiviiseen kontaktiin resonaattorin 10.2 kanssa kiinnitysruuvilla 18 paikalleen kiristetyllä alumiinisella vastapainolla 17. Muovinen väliosa 16 eristää resonaattorit 10.1, 10.2 primaarianturista 11, jonka näytteen puoleinen elektrodi 11.2* on maadoitettu lopullisessa kokoon-15 panossa anturin runkoon 12 sähköä johtavan O-renkaan 15 kautta (kuva 2b). Puhdistusresonaattoreita 10.1, 10.2 käytetään taa- juusgeneraattorin 13 avulla, jonka yhteyteen on sovitettu keksinnön mukaisen menetelmän ja anturin kannalta oleelliset signaalin vasteen palauttava väylä ja välineet väylän välittämän 20 vastesignaalin tulkitsemiseksi kussakin pesujaksossa (ei esitet-:’·· ty) . Puhdistusresonaattori 10 on liitetty runkoon 12 siten, että : näiden välissä on ruuveilla 20 kiinnitetty kiinnitysmekanismi ; 21, jolla resonaattorit 10.1, 10.2 liitetään kerrosrakenteisesti • integroituina primaarianturin 11 kanssa samoihin kiinteisiin ':··· 25 rakenteisiin 12 ja värähtely saadaan välittömästi välitettyä primaarianturiin 11.

» »

Ultraäänianturin käyttäminen tapahtuu siten, että pesujaksot on .···. ennakolta ohjelmoitu suoritettavaksi joko säännöllisin aikavä- * 30 lein tai ennalta asetetun ehdon mukaisesti. Tällainen ehto voi olla esimerkiksi mittasuureen, kuten primaarianturin 11 välittä- mää taajuutta vastaavan viskositeetin eroaminen prosessille .Λ.’·· ominaisesta perusarvosta, jota myös kriteeriarvoksi kutsutaan.

,!”! Myös signaalin amplitudia voidaan käyttää kriteeriarvona.

» » » ’ , 35 Edullisimmin kriteeri on ajan funktio eli vasteen tulee seurata «»ti» valittua käyrää, jotta tulos hyväksytään.

6 113018

Primaarianturi 11 kytketään pesujakson ajaksi pois päältä. Pesujakso muodostuu asetetun mittaisista ultraäänipulsseista, joita lähetetään asetettu määrä ja asetetulla teholla. Tällaiset arvot voivat olla esimerkiksi pulssien pituuden osalta 0,5 5 sekuntia, pulssien välisen tauon pituuden osalta 1,0 s, pulssien lukumäärän ollessa pesujaksossa 10 ja tehona 30% maksimitehosta. Pesun seurauksena anturin mittaustulos lähenee prosessille ominaista perusarvoa. Pesujaksoja toistetaan samalla teholla niin monta kertaa, kunnes mittaustulos ei enää muutu. Tällöin 10 esimerkiksi nostetaan pesutehoa (10%) tai lisätään pulssien lukumäärää pesujaksossa (50) ja toistetaan muutoin samoilla asetuksilla pesujakso. Tehonnoston seurauksena anturi puhdistuu edelleen ja myös sen välittämä mittaustulos lähenee prosessille ominaista perusarvoa. Vastaava tehon nosto ja mahdollisesti 15 pulssien lukumäärän nosto ajan funktiona suoritetaan niin moneen kertaan kunnes päästään ennalta asetettuun prosessille ominaiseen perusarvoon ja kytkentä voidaan siirtää mittausasentoon, jossa ultraäänivärähtelijä 10 on kytketty pois päältä.

20 Jos lukuisten pesujaksojen ja portaittaisten tehon nostojen ·;*·· seurauksena vastesignaalin ja asetetun kriteeriarvon välinen * erotus on edelleen suurempi kuin asetettu raja-arvo, voidaan • > i : olettaa mittausanturissa olevan vikaa ja antaa ilmoitus primaa- • * **··: rianturin epäkuntoisuudesta. Tällöin voidaan ryhtyä toimenpitei- • * 25 siin vian korjaamiseksi, joka usein edellyttää anturin vaihta- • * · ’·'· ;"‘i mistä ehjään. Teho voidaan nostaa arvioituun täyden puhdistuste- 1 · · (Iti* ’ * hon vaatimaan arvoonsa myös välittömästi heti ensimmäiseen • · · pesujaksoon, mutta tällöin menetetään primaarianturin toiminta-kuntoa selventävää informaatiota, joka edullisesti saadaan • · » ♦ » · * • 30 portaittaisesta pesutehon nostosta.

. · ·· * » · * · * · .... ;·’ Ultraäänivärähtelijän vastesignaalin amplitudi on verrannollinen ./.;·· primaarianturiin kerääntyvään saostuman viskositeettiin ja vastesignaalin taajuus saostuman massaan. Näiden tuloksien ’ , 35 välittämä informaatio selventää primaarianturiin kerääntyneiden epäpuhtauksien arviointia. Edullisesti puhdistamisessa voidaan 7 113018 käyttää useita tehoja, taajuuksia ja värähtelymoodeja. Värähte-lymoodeja voidaan muuttaa tehon tai taajuuden muutoksella. Näillä muutoksilla saadaan puhdistettua aluetta suurennettua ja voidaan pienentää maksimaalisella teholla tapahtuvaa puhdistus-5 aikaa minimoiden anturin vaurioitumistodennäköisyyttä.

t a i a a • a * : »

. i I

» a a 1,1 * t t ·

• * ; J

* a a f

* M

* » ' a * * * * > a • s * a a t a a ' 7 e I ·· » a ? t » i a * * a a

Claims (6)

1. Menetelmä anturin puhdistamiseksi ultraäänivärähtelijällä (10) halutun puhtaustason saavuttamiseksi, jossa anturia (11) 5 värisytetään pesujaksossa ultraäänivärähtelijän (10) avulla, tunnettu siitä, että tutkitaan anturin tai ultraäänivärähteli jän signaalia ja asetetaan sille kriteeri, jonka mukaan anturin puhtaustaso hyväksytään.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että asetetaan kriteeri pesujakson suhteen tietylle ajanjaksolle ajan funktiona, jolloin signaalin tulee seurata valittua käyrää tietyllä tarkkuudella mittaustuloksen hyväksymiseksi.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ultraäänivärähtelijän (10) tehoa muutetaan pesujaksossa ajan funktiona.

4. Anturi, johon kuuluu mittasuureen mittaamista varten sovitet- 20 tu primaarianturi (11) ja ultraäänivärähtelijä (10) tämän puhdistamiseksi, tunnettu siitä, että anturiin on sovitettu , . , signaalin vasteen palauttava väylä ja välineet väylän välittämän • » » · vastesignaalin tulkitsemiseksi. • · • * · • tl > I t

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen ultraäänianturi, tunnettu : * siitä, että ultraäänivärähtelijä (10) on kerrosrakenteisesti integroitu primaarisen ultraäänianturin (11) kanssa samaan ..· rakenteeseen. : *· 30

6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen anturi, tunnettu siitä, ' ..· että anturiin kuuluu kytkinvälineet primaarianturin (11) kytke- ;··· miseksi pois päältä pesuasennossa ja ultraäänivärähteli jän (10) > * · · .. kytkemiseksi pois päältä mittausasennossa. 9 113018