FI77536B - Fiberoptisk detektor foer oljor och loesningsmedel. - Google Patents

Description

77536 1 Kuituoptinen öljyjen ja liuottimien ilmaisin

Fiberoptisk detektor för oljor och lösningsmedel 5

Keksinnön kohteena on kuituoptinen öljyjen, liuottimien ja vastaavien nestemäisten hiilivetyjen ja muiden nesteiden ilmaisin, joka muodostuu kuituoptisesta valolähettimestä ja valovaetaanottlmesta sekä niihin 10 liitetystä optisesta kuidusta, jonka vapaassa päässä sijaitsee mainittujen nesteiden tunnistinanturi.

Tällaisella kuituoptiikkaa käyttävällä laitteella voidaan nopeasti ja turvallisesti ilmaista erilaatuisia nesteitä, erityisesti eri öljyjä 15 kuten kevyttä tai raskasta polttoöljyä tai myös muita palo- tai räjähdyvaarallisia nesteitä kuten liuottimia. Laite on käyttökelpoinen varsinkin nestevuodoista hälytettäessä, sillä laitteen llmaisunopeus on varsin suuri.

20 Erityisesti kemian teollisuudessa joudutaan usein varastoimaan vaarallisia sekä palovaarallisla nesteitä suuriin säiliöihin sekä uiko- että sisätiloissa. Tällainen säiliö on vuotojen takia melkoinen turvallisuusriski sekä ihmisille että luonnolle. Erityisesti palo- tai räjähdysarkojen nesteiden läsnäolon tai vuodon ilmaisu elektronisesti on valkeaa, 25 koska elektroninen, galvaaninen mittaus- ja hälytyeanturi sisältää oikosulku- ja klpinävaaran. Vuotoilmalslmen tulisi olla nk. sisäisesti turvallinen, mikä on mahdollista kuituoptiikkaa käyttäen, koska kuitu on eriste ja muutenkin täysin passiivinen eikä mene oikosulkuun eikä aiheuta kipinöintiä. Myös öljyjen ja öljyvuotojen ilmaisu on varsin 30 vaikeaa, koska öljy on melko passiivista ja mm. sen dielektrisyysvakio poikkeaa vain vähän esim. hiekkamaan dlelektrlsyysvaklosta. Yleensä öljyvuodot havaitaan vasta sitten, kun se on liian myöhäistä. Erityisesti pienten vuotojen havaitseminen voi olla vaikeaa, koska esim. suuren säiliön plnnankorkeudesta vuotoa voi olla valkea havaita. Jos vielä on 35 kyse nopeasti haihtuvista nesteistä, jollaisia monet liuottimet ovat, voi aine haihtua ennenkuin vuoto havaitaan. Tämän vuoksi tulisi vuodoista ilmaisevan laitteen olla melko herkkä ja nopea. Tässä keksinnössä 2 77536 1 selostettava laite Ilmaisee esim. asetoonin n. 1 sekunnissa ja polttoöljyn alle puolessa minuutissa. Nämä nopeudet ovat riittäviä.

US-patentissa nro 4,386*269 on esitetty ilmaisin, jossa käytetään 5 kuidulle erityistä kuorikerrosta, jonka taitekerroin eroaa itse kuidun taitekertoimesta siten, että valo heijastuu tai talttuu kuidun sisälle. Kun tällainen kuorikerros tehdään öljyä imeväksi, muuttuu sen taitekerroin siten, että valo "vuotaa" ulos ja valon etenemleomlnaleuudet kuidussa muuttuvat niin, että se kokonaan 10 absorpoltuu. Olennaista on, että öljyä imevä kuori on kosketuksessa kuidun ytimen kanssa, jotta kokonaisheijastuksen ehto muuttuisi.

Kuidun ytimen ja sen vaipan taltekertolmen suhteet-muuttuvat tietyllä tavalla siten, että kokonaisheijastuksen ehto el enää toteudu ytimen ja sen kanssa välittömässä kosketuksessa olevan vaipan kanssa.

15 US-patentin nro 4,159,420 mukaisessa ilmaisimessa käytetään kultua, jonka taitekerroin on suurempi kuin ympäröivän aineen. Kuitu ympäröidään materiaalialla, jonka taitekerroin muuttuu joutuessaan kosketuksiin esim. öljyn kanssa. Tämä taltekertolmen muutos aiheuttaa sen, 20 että kokonaisheijastuksen ehto kuidun ytimessä ei enää toteudu ja valo "vuotaa " ulos aiheuttaen valon etenemiselle huomattavan llsävaimennuk-sen. Kuidun päähän voidaan asentaen peili, jossa tapahtuva heijastus palauttaa valon takaisin lähtökohtaansa, jolloin valo kuidun seinämistä heIjästuessaan voi havaita taltekertolmen muutoksen ja vaimentua. Olen-25 naista on se, että kuidun ytimen ja sen taltekertoimien suhteet muuttuvat tietyllä tavalla siten, että kokonaisheijastuksen ehto el enää toteudu ytimen ja sen kanssa välittömässä kosketuksessa olevan vaipan kanssa.

30 EP-hakemusjulkaisussa nro 126,600 käytetään optisia kultuja havaitsemaan tiettyjen kemikaalien läsnäolo käyttämällä anturin päässä sellaista anturlrakennetta, jossa kuitukimpun pää on ympäröity tiiviisti huokoisella membraanilla, jonka sisäpuolella on pulverimaista rlstlsllloitettua poly-styreenlä. Tällaiseen polystyreenlpulveriin on kemiallisesti sidottu 35 jokin reagenttl, jonka väri muuttuu kosketuksesta havaittavaan nesteeseen. Huokoinen membraani on teflonia, joka hylkii vettä. Havaittava kemikaali kulkeutuu teflonkalvon läpi ja reagoi kyseisen polystyreeni- 3 77536 1 pulverissa olevan aineen kanssa, jonka spektroskooppiset ominaisuudet muuttuvat kosketuksessa nesteen kanssa.

Julkaisussa W0-86/05589 käytetään materiaalia, johon on pysyvästi kiin-5 nitetty jokin indikaattorialne, jonka spektraaliset ominaisuudet muuttuvat sen joutuessa kosketuksiin havaittavan aineen kanssa.

GB-patentlssa 21 03 786 on esitetty ilmaisin, jossa kuidun ytimen pinta on peitetty indikaattoriaineella, jonka pinta on huokoinen. Optisen 10 kuidun pää on varustettu peilillä, Joka heijastaa tulevan valon takaisin mittauselektroniikkaan.

Vallitsevasta tekniikan tasosta voidaan todeta, että on ennestään tunnettua se, että optisilla kuiduilla voidaan havaita kuidun päähän asen-15 nettuja tuntoelimiä. Optisesta kuitulähettimesta lähetetään valoa kuitua myöten tutkittavaan kohteeseen ja toisella tai samalla kuidulla tuodaan valo takaisin ilmaisimeen. Kuidun päässä olevaan tuntoelimeen vaikuttaa sitten tutkittava ilmiö jollain tavalla.

20 Tunnetaan vuotoilmaisln, joka Ilmaisee öljyjen läsnäolon perustuen siihen, että optisen kuidun vaippa-aine on materiaalia, joka turpoaa joutuessaan öljyn kanssa kosketuksiin. Tällöin öljy pääsee vaipan ja kuidun väliin aiheuttaen llsävalmennuksen valon etenemisessä.

25 Keksinnön päämääränä on aikaansaada parannus nykyisin tunnettuihin kuituoptisiin llmalsinratkaisulhin. Keksinnön yksityiskohtaisena päämääränä on aikaansaada ilmaisin, joka on ns. sisäisesti turvallinen.

Vielä eräänä keksinnön päämääränä on aikaansaada ilmaisin, joka on 30 erittäin herkkä ja nopea.

Keksinnön päämäärät saavutetaan ilmaisimella, jolle on pääasiallisesti tunnusomaista se, että tunnistlnanturl on sellaisesta materiaalista oleva anturi, joka ilmaistavan nesteen kanssa kosketuksiin joutuessaan 35 joko abeorpol kaplllarlteetln avulla nesteen Itseensä, sellaisesta materiaalista oleva anturi, joka liukenee ilmaistavaan nesteeseen, jolloin anturimateriaalin optinen heijastuskerroln muuttuu siten, että 4 77536 1 se voidaan havaita kuituoptisella Ilmaisimella elektro-optlikaeta sinänsä tunnetulla tavalla.

Keksinnön mukaisen Ilmaisimen muut tärkeät tunnuspiirteet on esitetty 5 patenttivaatimuksissa 2-4.

Keksintöä selitetään yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisen piirustuksen kuvioissa esitettyihin keksinnön eräisiin edullisiin suoritusmuotoihin, joihin keksintöä el ole tarkoitus kuitenkaan yksinomaan 10 rajoittaa.

Kuvio 1 esittää kaaviomalsesti keksinnön mukaisen kuituoptisen ilmaisimen erästä edullista suoritusmuotoa.

15 Kuvio 2 esittää kuviossa 1 käytetyn tunnistlnanturin erästä edullista suoritusmuotoa suuremmassa mittakaavassa.

Kuvio 3 esittää kuviossa 1 käytetyn tunnistlnanturin erästä toista edullista suoritusmuotoa suuremmassa mittakaavassa.

20

Kuvio 4 esittää kaaviomalsesti nestepisaran absorpoitumlsta ja kulkeutumista tunnistlnanturin värjätystä päästä kapillaarivoiman avulla huokoisen anturlaineen toiseen päähän väriaineen seuratessa mukana.

25 Nyt esillä olevassa laitteessa on keksinnöllistä optisen kuidun päähän asennettavan anturin optisen heljastuskertolmen muuttuminen jyrkästi sen joutuessa kosketuksiin öljyn tai liuottimen kanssa niin, että optisen kontrastin muutos voidaan kuituoptisesti havaita. Optisen heljastuskertolmen muutos voidaan tietysti havaita esim. LED-lampun ja 30 fotodiodin muodostamalla yhdistelmällä, mutta sellainen el olisi sisäisesti turvallinen räjähtäviä nesteitä ajatellen. Tällaista kombinaatiota ei myöskään juuri voisi haudata maan alle, päinvastoin kuin passiivista kultuanturia.

35 Kuituoptiikasta tunnetaan kuituoptiset lähettimet ja vastaanottimet, joilla voidaan kuitujen välityksellä havaita esineitä. Vaikka tällaiset ovat sinänsä tunnettuja muodostavat ne kuitenkin tässä keksinnössä tär- 5 77536 ^ keän osan keksinnöstä. Edelleen käytetään kuituoptisia suuntakytklmiä, joilla voidaan eroittaa anturista tulevan valon samaa kultua myöten-kulkevasta lähetysvaloeta.

5 On olemassa useita huokoisia aineita, jotka kapillaarivoiman avulla Imevät Itseensä nesteitä ja muuttavat väriään. Ajatellaan esimerkkinä sokeripalan kastamista kahvikuppiin. Sokeripala imee Itseensä nopeasti kahvin ja muuttuu tummaksi. Tummuminen voidaan kuituoptlseeti havaita.

Joe vielä sokeripalaa pidetään kahvissa kauan, se liukenee kokonaan pois 10 ja sekin voidaan kuituoptiikalla havaita. Tämä seikka on myös osa keksintöä. Kuitenkin kun pyritään havaitsemaan öljyjä tai multa nestemäisiä hiilivetyjä esim. hiekan seasta, tulee anturin olla vettä hylkivää mutta hiilivetyjä absorpoivaa. Tässä tapauksessa anturlalneen tulee olla hydrofoobista, väriltään mielellään valkoista ja aineen huokosten 15 sopivan kokoisia. Polyetyleenijauheesta voidaan slntrata huokoisia kapseleita, joilla on juuri halutut ominaisuudet. Jos huokoinen polyety-leenikapsell upotetaan vesiliukoiseen musteeseen, se säilyy valkoisena, mutta jos se upotetaan eprilllukolseen musteeseen, muuttuu se välittömästi tummaksi. Slntrattu polyetyleenl on muutenkin mekaanisesti kestävää.

20

On olemassa myös multa huokoisia aineita kuten huopakynien kärklmate-rlaall ja huokoinen Teflon kalvo (Gore Tex), joilla on halutut ominaisuudet. Haluttu hydrofoobisuus ja kapillariteetti riippuvat pohjimmiltaan aineen plntajännltysomlnalsuuksieta kahden aineen rajapinnan 25 välillä.

Hakija on suorittanut kokeita sintratullla polyetyleenlpulverikapseleilla mm. siten, että anturi on ollut haudattuna hlekkaamaahan vuoden ajaksi ilman muutoksia sen toiminnassa. Optinen kultu kyllä kestää maahan 30 hautaamisen, mikäli tietyt suojatoimenpiteet toteutetaan. On selvää, että itse anturipää tulee suojata mekaanisesti siten, ettei rasituksia kohdistu siihen. Myös veden pinnalla kelluva ohut öljykerros voidaan ilmaista anturin avulla.

35 Toinen vaihtoehto nesteiden havaitsemiseen on käyttää siihen nopeasti liukenevaa ainetta. Yksinkertaisimmillaan tällainen anturi on kuidun päähän maalattu valkoinen maalltlppa, joka nopeasti liukenee esim.

6 77536 Ί asetoniin joutuessaan sen kanssa kosketuksiin. Liukenemisen johdosta heijastus jyrkästi helkkenee ja saadaan hälytys.

Edellä kuvatut anturit ovat tietysti kertakäyttöisiä ja käytännön 5 toteutuksessa ne tehdään helposti vaihdettaviksi. Tämä ei ole haitta, sillä vuodot ovat tavallisesti myös kertatapahtumia.

Lopuksi todettakoon, että mitatut optiset "on-off" suhteet ovat olleet parempia kuin 20 dB, mikä antaa riittävän marginaalin kuiduissa mahdol-10 lisestl taphtuvlin ylimääräisiin valmennuksiin esim. taivutusten johdosta. Useimmiten kultu kuitenkin suojataan esim. suojaputkella ulkopuolisia rasituksia vastaan.

Kuviossa 1 kuituoptinen lähetln/vastaanotln 11 lähettää valoa kuitua 13 15 myöten sopivalla aallonpituudella valoa kohti kuidun vapaassa päässä olevaa anturia 14 siten, että anturlpäästä palaava valo joutuu vastaanottimeen optisen suuntakytkimen 12 välittämänä. Tässä yhteydessä voidaan todeta, että keksinnön mukainen ilmaisin 10 toimii yhtä hyvin kahdella erillisellä kuidulla, joista toinen on lähetys- ja toinen vastaanotto-20 kuitu, mutta se el olennaisesti muuta keksintöä. Astiassa 15 oleva neste 16 kuvaa sitä nestettä, jota pyritään Ilmaisemaan. Neste 16 voi tietysti olla esim. maahan valunut neste, joka joutuu kosketuksiin anturin 14 kanssa.

25 Kuviot 2 ja 3 esittävät yksityiskohtaisemmin itse mltta-anturi-pään rakennetta. Kuidun 13 päähän on asennettu pitimen tai hoikin 19 avulla itse anturi 17. Kuidun 13 avulla seurataan anturimateriaalin yläpinnan optista heljastuskerrolnta. Anturiaine on huokoista materiaalia siten, että kun se joutuu kosketuksiin nesteen 16 kanssa, neste 16 imeytyy tai 30 absorpoltuu kapillaari-ilmiön avulla anturialneeseen, jolloin anturi-aineen yläpinnan optinen heijastuskerroln muuttuu. Huokoisessa aineessa esiintyvä kapillaarivoima siis siirtää osan nesteestä 16 lähelle kuidun 13 päätä. Kun kuidun 13 pää voidaan eristää itse nesteestä 16, se el välttämättä likaannu.

Jos havaittava neste 16 muuttaa heljastuskerrolnta vain vähän, voidaan kontrastin muutosta kasvattaa värjäämällä anturimateriaali sopivalla väri- 35 7 77536 1 aineella 18, jolloin väriaine 18 kulkeutuu kuidun 13 päähän nesteen 16 mukana kuten kuviosta 3 havaitaan. Tämä tapa saattaa olla hyvä ilmaistaessa värittömiä liuottimia kuten esim. asetoonia, etanoolia tai multa vastaavia.

5

Kuviossa A kuvataan tarkemmin nestepisaran 16a absorpoitumista ja kulkeutumista anturin 17 värjätystä päästä kapillaarivoiman avulla huokoisen anturlaineen toiseen päähän väriaineen 18 seuratessa mukana. Väriaineen 18 tulee liueta kyseiseen nesteeseen 16. Väri voi olla mustetta tai 10 muuta vastaavaa.

Kun kuituoptinen lähetin/vastaanotin yksikkö 11 havaitsee optisen hei-jastuskertoimen muutoksen, saadaan siitä hälytysslgnaall elektroniikasta sinänsä tunnetulla tavalla. Edellä kuvatusta on selvää, että anturin 15 materiaali on toiminnan kannalta ratkaisevaa.

20 25 30 35

Claims (4)

8 77536 ^ Patenttivaatimukset

1. Kuituoptinen öljyjen, liuottimien ja vastaavien nestemäisten hiilivetyjen ja muiden nesteiden limaisin (10), joka muodostuu kuituoptisesta 5 valolähettimestä ja valovastaanottimesta (11) sekä niihin liitetystä optisesta kuidusta (13), jonka vapaassa päässä sijaitsee mainittujen nesteiden tunnistinanturi (14), tunnettu siltä, että tunnistin-anturi (14) on sellaisesta materiaalista oleva anturi (17), joka ilmaistavan nesteen kanssa kosketuksiin joutuessaan joko absorpoi kapillarl- 10 teetin avulla nesteen itseensä tai sellaisesta materiaalista oleva anturi (17), joka liukenee ilmaistavaan nesteeseen, jolloin anturi-materiaalin optinen heijastuskerroin muuttuu siten, että se voidaan havaita kuituoptisella ilmaisimella (10) elektro-optiikasta sinänsä tunnetulla tavalla. 15

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kuituoptinen ilmaisin, tunnettu siitä, että anturi (17) on sintrattua huokoista polyetyleeniä tai muuta vastaavaa huokoista ainetta, joka hylkii vettä tai muita ei-haluttuja nesteitä, mutta absorpoi ilmaistavaksi tarkoitettuja nesteitä. 20

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kuituoptinen ilmaisin, tunnettu siltä, että anturi (17) on materiaalia, joka liukenee vain tiettyyn ennalta määrättyyn nesteeseen.

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen kuituoptinen ilmaisin, tun nettu siitä, että tunnistinanturi (14) on värjättu toisesta päästään sopivalla väriaineella (18), jolloin väriaine kulkeutuu absor-poituvan nesteen mukana tunnistinanturin (14) värjäämättömään päähän. 30 35