FI122997B

FI122997B - Menetelmä ja sovitelma optisesti epähomogeenisen aineen virtausnopeuden mittaamiseksi

Info

Publication number: FI122997B
Application number: FI20115873A
Authority: FI
Inventors: Juha Jaeaeskelaeinen
Original assignee: Janesko Oy
Priority date: 2011-09-06
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2012-09-28
Also published as: FI20115873A0; US9612144B2; DE102012215415A1; US20130057675A1

Description

Menetelmä ja sovitelma optisesti epähomogeenisen aineen virtausnopeuden mittaamiseksi

Keksinnön kohteena on menetelmä optisesti epähomogeenisen ai-5 neen virtausnopeuden mittaamiseksi prosessiputkessa, jossa menetelmässä prosessiputkessa olevaa optisesti epähomogeenista ainetta valaistaan ikkunan läpi. Keksinnön kohteena on myös sovitelma optisesti epähomogeenisen aineen virtausnopeuden mittaamiseksi prosessiputkessa, joka sovitelma käsittää valolähteen, joka on sovitettu valaisemaan prosessiputkessa olevaa epähomo-10 geenistä ainetta ikkunan läpi.

Erilaisten, etenkin hitaiden virtausten mittaus prosessiputkessa on tunnetun tekniikan mukaisten mittausratkaisujen avulla hankalaa. Esimerkkinä edellä mainituista hitaiden virtausten mittauksista voidaan mainita valkaisu-reaktorin yhteydessä esiintyvien n. 1 m/min nopeudella kulkevien virtausten 15 mittaaminen. Hankaluudet syntyvät siitä, että virtaukseen upotetut mittalaitteet häiritsevät paikallisesti virtausta, jolloin mittaustulos ei ole luotettava.

Valkaisureaktorin toiminnan monitoroinnissa halutaan tietää, mikä on reaktorissa alhaalta ylös pumppautuvan massan nopeus reaktoritornin reunalla. Edellä mainittu tieto on tärkeä siksi, että reaktori saattaa ajautua toimin-20 tahäiriöön, jossa virtaus tornissa kanalisoituu siten, että massa virtaa nopeammin reaktorin keskellä verrattuna virtaukseen reunoilla. Tällöin osa massasta viipyy reaktorissa pidemmän ajan ja valkaisutulokseen tulee vaihtelua.

Tällä hetkellä ei ole kaupallisesti saatavissa valkaisureaktorin monitorointiin soveltuvia mittalaitteita. Kanalisoitumista voidaan nykytekniikalla tut-25 kia laittamalla virtaukseen mukaan merkkiainetta, jonka kulkuaikaa seurataan. Tämän menetelmän haittapuolena on se, että merkkiaine päätyy lopputuottee-o seen. Epäkohtana on edelleen se, että merkkiaineen antama signaali levenee

CM

^ nopeasti, kun aine sekoittuu reaktorissa ja siten nopeusinformaatio huononee.

9 Merkkiaineen tilalla voidaan myös käyttää vedellä aikaansaatua lämpötilapuls- ° 30 siä, jonka kulkua reaktorissa seurataan reaktoriin asennetuilla lämpömittareilla.

| Tässä tekniikassa ongelmana on myös signaalin nopea leveneminen ja häviä- co minen massan sekoittuessa.

g Keksinnön tarkoituksena on saada aikaan menetelmä ja sovitelma, ^ joiden avulla aiemmin tunnetun tekniikan epäkohdat pystytään eliminoimaan.

00 35 Tähän on päästy keksinnön mukaisen menetelmän ja sovitelman avulla. Kek sinnön mukainen menetelmä on tunnettu siitä, että ikkunan läpi otetaan kame- 2 ralla kuvia valaistusta prosessiputkessa olevasta epähomogeenisesta aineesta ja ajallisesti peräkkäisten kuvioiden välisen korrelaation avulla määritetään prosessiputkessa olevan epähomogeenisen aineen liikkuma matka ajallisesti peräkkäisten kuvien ottamisen välillä ja määritetään prosessiputkessa olevan 5 epähomogeenisen aineen nopeus peräkkäisten kuvien välisen aikaeron ja matkan avulla. Keksinnön mukainen sovitelma on puolestaan tunnettu siitä, että sovitelma käsittää kameran, joka on sovitettu ottamaan ikkunan läpi kuvia valaistusta prosessiputkessa olevasta epähomogeenisesta aineesta ja välineet, jotka on sovitettu määrittämään ajallisesti peräkkäisten kuvien välisen 10 korrelaation avulla prosessiputkessa olevan epähomogeenisen aineen liikkuma matka ajallisesti peräkkäisten kuvien ottamisen välillä ja määrittämään prosessiputkessa olevan epähomogeenisen aineen nopeus peräkkäisten kuvien välisen aikaeron ja matkan avulla.

Keksinnön etuna on ennen kaikkea se, että esimerkiksi valkaisu-15 reaktorin monitorointi pystytään toteuttamaan luotettavalla tavalla. Keksinnön etuna on myös sen yksinkertaisuus, jolloin keksinnön käyttöönotto ja käyttö muodostuvat edullisiksi.

Tarkasteltaessa mittaustekniikkaa yleisesti voidaan todeta, että on tunnettua tekniikkaa käyttää kahden paikallisesti eri kohdasta kerätyn signaalin 20 välistä korrelaatiota nopeuden määrityksessä. Tällaisia ratkaisuja on kuvattu esimerkiksi US-hakemusjulkaisussa 2010/0235117 ja US-patenttijulkaisussa 6 275 284. Edellä mainituissa julkaisuissa kuvatut ratkaisut on tarkoitettu kaa-suvirtauksen nopeuden mittaukseen. Ratkaisuissa on olennaista se, että valon on läpäistävä mitattava aine matkalla valolähteestä detektorille. Tällainen me-25 netelmä ei toimi jos partikkelisuspensio on läpinäkymätön, ts. jos suspensio läpäisee huonosti tai ei ollenkaan valoa.

CVJ

5 Aiemmin on ollut tunnettua myös takaisinsirontaa hyödyntävä vir-

CNJ

^ tausmittaus, jossa hyödynnetään mittapisteiden välistä korrelaatiota. Tällainen ° ratkaisu on esitetty esimerkiksi US-patenttijulkaisussa 4 978 863. Tässä ratkai- co ° 30 sussa korrelaation laskemiseen käytetään muutamaa mittapistettä. Ratkaisu | on periaatteeltaan suhteellisen monimutkainen.

co Edellä esitetyt, tunnetun tekniikan mukaiset ratkaisut eivät sovellu N- °° käytettäväksi sellaisten optisesti epähomogeenisten aineiden mittaukseen, jot- ^ ka ovat olennaisesti läpinäkymättömiä, ts. sellaisten aineiden mittaukseen, jot- ^ 35 ka läpäisevät huonosti valoa tai ovat läpinäkymättömiä.

3

Tarkasteltaessa mittaustekniikkaa hyvin laajalti voidaan todeta, että perättäisten kuvien korrelaation käyttäminen siirtymän ja nopeuden mittauksessa on sinänsä tunnettua tekniikkaa esimerkiksi optisessa hiiressä. Esimerkkinä tällaisista ratkaisuista voidaan mainita US-patenttijulkaisu 4 631 400.

5 Keksintö liittyy siis prosessiputkessa olevan olennaisesti optisesti epähomogeenisen aineen mittaukseen. Mittaus perustuu valaistuksen ja kameran käyttöön ja ajallisesti peräkkäisten kuvien välisen korrelaation avulla tapahtuvaan nopeuden määrittelyyn. Mitattavan optisesti epähomogeenisen aineen tulee sisältää jotain ainesta, josta saadaan takaisinheijastusta kameralle. 10 Kirkkaita läpinäkyviä nesteitä voidaan mitata lisäämällä esimerkiksi ilmaa ko. nesteeseen, jolloin ilmakuplat toimivat aineksena, josta saadaan takaisinhei-jastus kameralle.

Keksintöä ryhdytään selvittämään seuraavassa tarkemmin oheisessa piirustuksessa kuvattujen sovellutusesimerkkien avulla, jolloin 15 kuvio 1 esittää periaatteellisena sivukuvantona keksinnön mukaisen sovitelman ensimäistä toteutusmuotoa, kuvio 2 esittää kuvion 1 mukaisen sovellutusmuodon olennaisia osia periaatteellisena perspektiivikuvantona, kuviot 3a - 3c esittävät korrelaatioon perustuvan nopeuden mittauk-20 sen periaatetta, kuvio 4 esittää periaatteellisena sivukuvantona keksinnön mukaisen sovitelman toista sovellutusmuotoa, kuvio 5 esittää periaatteellisena kuvantona keksinnön mukaisen sovitelman kolmatta sovellutusmuotoa ja 25 kuvio 6 esittää kuvion 5 mukaista sovellutusmuotoa periaatteellise- na perspektiivikuvantona.

5 Kuvioissa 1 ja 2 on esitetty keksinnön eräs sovellutusmuoto ja kUVi-

CNJ

^ oissa 3a - 3c korrelaatioon perustuvan nopeuden mittauksen periaate.

° Kuvioissa 1 ja 2 on viitenumerolla 1 esitetty kamera ja viitenumeron ° 30 2 avulla objektiivi. Viitenumeron 3 avulla on merkitty ikkuna, ts. mittaikkuna, jo- | ka voi myös olla varustettu prismalla ja viitenumeron 4 avulla peili. Viitenumero ron 5 avulla kuvioihin 1 ja 2 on merkitty valolähde. Mitattava aine, tässä tapa- g uksessa mitattava suspensio on merkitty viitenumerolla 6. Suspension virtaus- ^ ta on merkitty kuviossa 1 nuolella. Viitenumeron 7 avulla on merkitty proses- 00 35 siyhde ja viitenumeron 8 avulla mittalaitteen kärki. Viitenumerolla 9 on merkitty 4 prosessiputki ja viitenumerolla 10 suojakuori. Termi prosessiputki tulee käsittää tässä yhteydessä laajasti, ts. prosessiputki voi olla myös esimerkiksi säiliö.

Keksinnössä virtausnopeutta mitataan optisella menetelmällä, jossa ainakin yhden valolähteen 5 avulla valaistaan ikkunan 3 läpi prosessiputkessa 5 9 olevaa partikkelisuspensiota 6. Ikkunan 3 läpi otetaan kameran 1 avulla suu rella nopeudella kuvia. Esimerkkinä suurista nopeuksista voidaan mainita maksimissaan 6400/s oleva taajuus. Ajallisesti peräkkäisten kuvien välisen korrelaation avulla saadaan määritettyä suspension 6 liikkuma matka kuvien ottohetken välisenä aikana. Aikaerosta ja matkasta saadaan laskettua nopeus. 10 Kuvioissa 3a - 3c on kuvattu edellä mainitut seikat. Liike välillä t2 -11 saadaan korrelaation maksimikohdasta. Hetkellinen nopeus ja liikekulma, ts. liikkeen suunta, saadaan kuvioiden 3a - 3c yhteydessä esitettyjen riippuvuuksien avulla.

Kyseessä on siis kaksiulotteinen korrelaatio eli kameralla otetaan 15 suurehko määrä kuvia ja peräkkäisten kuvien välillä mitataan korrelaatio. Korrelaatio antaa suunnan ja etäisyyden kuvien välillä. Korrelaation voimakkuus kertoo kuvien samankaltaisuudesta.

Ikkuna 3 on asennettu prosessiputkeen tai säiliöön siten, että se ei häiritse virtausta. Kuten edellä on todettu, kamera 1 antaa kaksiulotteisen ku-20 van suspensiosta, joten samalla saadaan myös liikkeen suunta määritettyä kahdessa ulottuvuudessa. Nopeuden mittaus toimii, jos virtaus on riittävän la-minaarista. Tällainen virtaus on esimerkiksi puunjalostusteollisuudessa sellu-massalla ns. tulppavirtaus. Mittasignaalin hyvyyttä voidaan myös käyttää turbulenssin mittana.

25 Kuvioiden 1 ja 2 sovellutusmuodossa on käytetty probemaista ra- kennetta, jossa mittalaite työnnetään prosessiliitäntänä olevan prosessiyhteen 5 7 läpi ja ikkuna on mittalaitteen kärjessä 8 olennaisesti prosessiputken tai säi-

CNJ

^ liön 9 pinnan tasalla, jottei mittalaite häiritsisi virtausta. Valaistus on tässä so- ° vellutusmuodossa aikaansaatu käyttäen välineinä tasopeiliä 4 ja viistoksi hiot- ° 30 tua ikkunan 3 osaa.

| Kuvioiden 1 ja 2 sovellutusmuoto ei ole ainoa mahdollinen ratkaisu, co Keksinnön perusidean mukaisesti on mahdollista toteuttaa valolähde esimer- g kiksi tuomalla se ikkunaan hiottuun viistoon pintaan. Tällainen sovellutus on ^ esitetty kuviossa 4. Kuvion 4 mukainen sovellutus eroaa kuvioiden 1 ja 2 mu- 00 35 kaisesta sovellutuksesta ainoastaan valonlähteen osalta, muilta kohdin edellä 5 mainitut sovellutukset vastaavat toisiaan. Kuviossa 4 on käytetty vastaavissa kohdissa samoja viitenumerolta kuin kuvioissa 1 ja 2.

Kuvioissa 5 ja 6 on puolestaan esitetty sovellutus, jossa mittaik-kunana käytetään putkessa tai säiliössä olevaa näkölasia. Mittauksessa käy-5 tettävät välineet, esimerkiksi kamera 1, objektiivi 2 jne. on tuotu näkölasin lähelle ja sovitettu suljetun suojakuoren 10 sisään. Kuvioissa 5 ja 6 on vastaavissa kohdissa käytetty samoja viitenumerolta kuin kuvioissa 1,2 ja 4.

Edellä kuvatuissa sovellutuksissa käytetty valolähde 5 voi olla mikä tahansa valolähde, esimerkiksi led-valolähde. Valolähteitä 5 voi olla yksi tai 10 useampia kuitenkin niin, että ne kaikki valaisevat olennaisesti samaa aluetta, jota kuvataan kameralla 1. Kuviossa 6 on esitetty sovellutus, jossa käytetään useita valolähteitä 5. Keksinnölle on eduksi, että mitta-alue on mahdollisimman tasaisesti valaistu, koska korrelaatiota laskettaessa suuremmalla valon intensiteetillä valaistut osat antavat korrelaatioon harhaisesti suuremman arvon il-15 man, että ko. kohdissa kuvat olisivat merkittävästi samankaltaisia. Virhettä voidaan kompensoida matemaattisesti, mutta kompensaatio ei ole käytännössä täydellinen.

Kameran 1 tulee olla sellainen, että sillä voidaan ottaa kuvia suurella nopeudella, jotta virtaavasta suspensiosta otetuissa peräkkäisissä kuvissa 20 on kuvattuna osittain samaa aluetta. Esimerkkinä suurista kuvausnopeuksista voidaan mainita aiemmin mainittu 6400/s. Saman alueen näkyminen peräkkäisissä kuvissa on olennaista siksi, että keksinnössä täytyy saada laskettua kuvien välille kaksiulotteinen korrelaatio, jonka maksimikohdasta voidaan laskea suspension liikkuma matka kuvien ottamisen välisenä aikana. Kameran nope-25 us on määräämässä sitä, kuinka nopeaa virtausta voidaan mitata.

Kuvantavan objektiivin 2 kuvaama pinta-ala on valaistu valolähteellä 5 5. Kuva-alan suuruus on toinen tekijä, joka määrää suurimman mahdollisen

CNJ

^ virtausnopeuden. Mikäli virtausnopeus on niin suuri, että perättäisiin kuviin ei ° enää mahdu samaa maisemaa, ei kuvien välisellä korrelaatiolla ole selkeää

CD

° 30 maksimikohtaa ja mittaus ei anna järkevää tulosta.

| Ikkuna 3 voi olla sellainen, että siihen on lisätty prismamainen osa, co kuten kuvioiden 1 ja 2 mukaisessa sovellutuksessa on tehty. Prismamaisen g osan avulla valaistus saadaan tehtyä pienempään tilaan. Samaan tarkoituk- ^ seen voidaan käyttää lisäksi tai myös pelkästään peilejä, jotka suuntaavat va- 00 35 lon mitattavaan aineeseen. Ikkunaan 3 voidaan myös esimerkiksi hiomalla muodostaa syvennys, josta valolähteen 5 valo voidaan tuoda mitta-alueeseen.

6 Tällainen sovellutus on esitetty kuviossa 4. Ikkunana 3 voi olla myös riittävän suuri näkölasi, johon ei ole liitetty prismamaista osaa eikä peilimäisiä osia. Tällainen sovellutus on esitetty kuvioissa 5 ja 6.

Signaalin prosessointielektroniikka laskee kuvien välisen korrelaati-5 on maksimikohdan. Laskenta tehdään nopealla signaalinkäsittelytekniikalla, jonka nopeus ei rajoita laitteella mitattavaa suurinta virtausnopeutta. Prosessointi voidaan tehdä joko laitteessa heti kameran yhteydessä tai erillisessä signaalinkäsittely-yksikössä tai tietokoneella. Korrelaatiolaskentaan on olemassa lukuisia tunnettuja algoritmeja.

10 Suojakuori 10 on sovitettu estämään ulkopuolisen häiriövalon pää syn kameralle 1.

Keksintöä on kuvattu edellä kuvioissa esitettyjen sovellutusesimerkkien avulla. Esimerkkejä ei kuitenkaan ole tarkoitettu rajoittamaan keksintöä, vaan keksintöä voidaan muunnella täysin vapaasti patenttivaatimusten puittei-15 sa.

CVJ

δ

CVJ

i

CO

o

CD

O

X

cc

CL

CO

co m δ

CVJ

Claims

1. Menetelmä optisesti epähomogeenisen aineen virtausnopeuden mittaamiseksi prosessiputkessa (9), jossa menetelmässä prosessiputkessa olevaa optisesti epähomogeenista ainetta (6) valaistaan epähomogeenisen ai- 5 neen kanssa kosketuksissa olevan ikkunan (3) läpi, tunnettu siitä, että ikkunan (3) läpi otetaan kameralla (1) kuvia valaistusta prosessiputkessa olevasta epähomogeenisesta aineesta (6) ja ajallisesti peräkkäisten kuvioiden välisen korrelaation avulla määritetään prosessiputkessa olevan epähomogeenisen aineen (6) liikkuma matka ajallisesti peräkkäisten kuvien ottamisen välillä ja 10 määritetään prosessiputkessa olevan epähomogeenisen aineen (6) nopeus peräkkäisten kuvien välisen aikaeron ja matkan avulla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ajallisesti peräkkäisten kuvien välille lasketaan kaksiulotteinen korrelaatio ja peräkkäisten kuvien ottamisen välisenä aikana epähomogeenisen aineen 15 (6) liikkuma matka lasketaan korrelaation maksimikohdasta.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ajallisesti peräkkäisten kuvien välille lasketaan kaksiulotteinen korrelaatio ja peräkkäisten kuvien ottamisen välisenä aikana epähomogeenisen aineen (6) liikkuman matkan suunta lasketaan korrelaation maksimikohdasta.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1 - 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että turbulenssin määrä epähomogeenisessa aineessa (6) määritetään korrelaation hyvyyden pohjalta.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1 - 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kameralla (1) otetaan kuvia saman ikkunan (3) läpi, jon-25 ka läpi prosessiputkessa olevaa optisesti epähomogeenista ainetta (6) valaisee taan.

^ 6. Sovitelma optisesti epähomogeenisen aineen virtausnopeuden g mittaamiseksi prosessiputkessa (9), joka sovitelma käsittää valolähteen (5) jo- ci ka on sovitettu valaisemaan prosessiputkessa (9) olevaa epähomogeenista ai- o x 30 netta (6) epähomogeenisen aineen kanssa kosketuksissa olevan ikkunan (3) * läpi, tunnettu siitä, että sovitelma käsittää kameran (1), joka on sovitettu ” ottamaan ikkunan (3) läpi kuvia valaistusta prosessiputkessa (9) olevasta epä- 00 ^ homogeenisesta aineesta (6) ja välineet jotka on sovitettu määrittämään ajalli- o sesti peräkkäisten kuvien välisen korrelaation avulla prosessiputkessa olevan 35 epähomogeenisen aineen (6) liikkuma matka ajallisesti peräkkäisten kuvien ot- tamisen välillä ja määrittämään prosessiputkessa olevan epähomogeenisen aineen (6) nopeus peräkkäisten kuvien välisen aikaeron ja matkan avulla.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen sovitelma, tunnettu siitä, että välineet on sovitettu laskemaan kaksiulotteisen korrelaation peräkkäisten 5 kuvien välille ja sovitettu laskemaan peräkkäisten kuvien välisenä aikana epähomogeenisen aineen (6) liikkuman matkan korrelaation maksimikohdasta.

8. Patenttivaatimuksen 6 mukainen sovitelma, tunnettu siitä, että välineet on sovitettu laskemaan kaksiulotteisen korrelaation peräkkäisten kuvien välille ja sovitettu laskemaan peräkkäisten kuvien välisenä aikana epä- 10 homogeenisen aineen (6) liikkuman matkan suunnan korrelaation maksimi-kohdasta.

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 6-8 mukainen sovitelma, tunnettu siitä, että välineet korrelaation laskemiseksi on sovitettu määrittämään turbulenssin määrän epähomogeenisessa aineessa (6) korrelaation 15 hyvyyden perusteella.

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 6-9 mukainen sovitelma, tunnettu siitä, että kamera (1) on sovitettu ottamaan kuvia saman ikkunan (3) läpi, jonka kautta valolähde (5) on sovitettu valaisemaan optisesti homogeenista ainetta (6).

11. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 6-10 mukainen sovitelma, tunnettu siitä, että valolähde (5) on sovitettu johtamaan valoa peilin (4) avulla ikkunalle (3).

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen sovitelma, tunnettu siitä, että peili (4) on sovitettu ohjaaman valon ikkunaan (3) muodostetulle viistolle 25 pinnalle.

13. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 6-10 mukainen sovitelma, 5 tunnettu siitä, että valolähde (5) on sovitettu ikkunaan (3) muodostettuun CNJ ^ vinoon pintaan.

° 14. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 6-10 mukainen sovitelma, ° 30 tunnettu siitä, että ikkuna (3) on muodostettu prosessiputkessa (9) olevas- | ta näkölasista. CO CO m δ CVJ