ITBN20110011A1

ITBN20110011A1 - A NEW OPTICAL DETECTOR FOR MEASURING WITHOUT CONTACT WITH KINEMATIC VARIABLES

Info

Publication number: ITBN20110011A1
Application number: IT000011A
Authority: IT
Inventors: Giovanni Breglio; Andrea Cusano; Antonello Cutolo; Michele Giordano; Danilo Mascolo; Pierluigi Pilla
Original assignee: Danilo Mascolo; Optosmart S R L; Pierluigi Pilla
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2013-06-23

Description

DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE: DESCRIPTION OF THE INVENTION:

L'industria moderna così come gli utenti finali delle utenze domestiche richiedono un miglioramento costante della strumentazione in grado di fornire un adeguato dosaggio di fluidi e flussi di gas, aumentando la sicurezza sia degli impianti di produzione sia degli impianti di distribuzione di liquidi infiammabili e gas (ad esempio petrolio, metano, ecc.) Con queste considerazioni in mente abbiamo ideato una nuova tecnica in grado di fornire una misura del tutto sicura di un flusso all'interno di qualsiasi tipo di tubo senza introdurre alcuna parte elettrica all'interno del tubo stesso. Più precisamente, la parte elettrica che fornisce il risultato finale della misura e l'interfaccia con qualsiasi pc o apparato di trasmissione può essere facilmente montato a una distanza fino a diverse decine di chilometri dal dispositivo in prova. Modern industry as well as end users of domestic users require constant improvement of the instrumentation capable of providing an adequate dosage of fluids and gas flows, increasing the safety of both production plants and distribution systems for flammable liquids and gases. (e.g. oil, methane, etc.) With these considerations in mind we have devised a new technique capable of providing a completely safe measurement of a flow within any type of pipe without introducing any electrical part into the pipe. same. More precisely, the electrical part that provides the final result of the measurement and the interface with any PC or transmission apparatus can be easily mounted at a distance of up to several tens of kilometers from the device under test.

In particolare, il nostro strumento è costituito da tre parti principali: (1) uno o più dispositivi mobili (apparati di rotazione o traslazione), (2) uno o più dispositivi di rilevamento capaci di tradurre il movimento cinematico in una modulazione ottica, e (3 ) una unità di elaborazione terminale. Nel caso si voglia misurare la rotazione causata da un flusso in movimento interno ad una conduttura, la prima parte è concepita come un' ELICA montata all'interno del tubo. La velocità di rotazione dell' ELICA è una funzione monotona crescente (lineare per la maggior parte dei casi) della portata del fluido che passa attraverso il tubo; una fibra ottica in grado di misurare la velocità di rotazione dell' ELICA e, infine, una unità di rilevazione in grado di trasformare il segnale ottico fornito all'uscita della fibra in un segnale elettrico che contiene la misura del flusso richiesto. Da questa descrizione approssimativa, è già chiaro che all'interno del tubo (o nelle sue immediate vicinanze) sono montate solo un dispositivo meccanico (1' ELICA) e una fibra ottica mentre l'unità di rilevazione (l'unica parte che contiene i dispositivi elettrici) può essere montata a qualsiasi distanza dal tubo. In particular, our instrument consists of three main parts: (1) one or more mobile devices (rotation or translation devices), (2) one or more detection devices capable of translating the kinematic movement into an optical modulation, and (3) a terminal processing unit. If you want to measure the rotation caused by a moving flow inside a pipe, the first part is designed as a PROPELLER mounted inside the pipe. The rotation speed of the PROPELLER is an increasing monotonous function (linear in most cases) of the flow rate of the fluid passing through the tube; an optical fiber capable of measuring the rotation speed of the PROPELLER and, finally, a detection unit capable of transforming the optical signal supplied at the output of the fiber into an electrical signal that contains the measurement of the required flow. From this approximate description, it is already clear that only a mechanical device (1 'ELICA) and an optical fiber are mounted inside the tube (or in its immediate vicinity) while the detection unit (the only part that contains the electrical devices) can be mounted at any distance from the pipe.

La fibra ottica può essere accoppiata all' ELICA (per misurare la sua velocità di rotazione) in molti modi diversi tra i quali sono elencati quelli più facili da gestire nel modo seguente (si asserisce esplicitamente che le configurazioni elencate sono solo un esempio): The optical fiber can be coupled to the PROPELLER (to measure its rotation speed) in many different ways among which the easiest to manage are listed as follows (it is explicitly stated that the listed configurations are just an example):

a. Come primo caso si considera la possibilità di montare un pìccolo magnete sulla parte esterna di una PALA dell' ELICA. Solo un magnete su un PALA sarebbe sufficiente per il nostro scopo, ma al fine di evitare qualsiasi problema legato alla presenza di un ELICA sbilanciata, è meglio mettere un magnete su ogni PALA dell' ELICA o almeno considerare solo configurazioni perfettamente bilanciate . to. As a first case we consider the possibility of mounting a small magnet on the outside of a PROPELLER BLADE. Only one magnet on a SHOVEL would be sufficient for our purpose, but in order to avoid any problems related to the presence of an unbalanced PROPELLER, it is better to put a magnet on each PROPELLER BLADE or at least consider only perfectly balanced configurations.

A solo titolo esemplificativo viene riportato in figura 1 uno schema di principio per meglio illustrare il concetto. By way of example only, figure 1 shows a principle scheme to better illustrate the concept.

In questo caso, quando 1' ELICA ruota, un campo magnetico variabile è generato dalla parte periferica dell' ELICA. Le variazioni di questo campo magnetico possono essere facilmente rilevate mettendo vicino alla parte esterna dell' ELICA una fibra ottica di cui una pìccola parte sia stata resa sensibile al campo magnetico (come esempio si può utilizzare un reticolo di Bragg in fibra ottica o un Long Period Grating ricoperto con qualsiasi materiale sensibile ai campi magnetici. Si tratta di configurazioni tipiche normalmente utilizzati per la costruzione di sensori in fibra ottica per la misura del campo magnetico). A solo titolo esemplificativo viene riportato in figura 2 un altro schema, questa volta in sezione longitudinale, per meglio chiarire la disposizione degli elementi. In this case, when the HELIX rotates, a variable magnetic field is generated by the peripheral part of the HELIX. The variations of this magnetic field can be easily detected by placing an optical fiber near the external part of the HELIX of which a small part has been made sensitive to the magnetic field (as an example you can use an optical fiber Bragg grating or a Long Period Grating covered with any material sensitive to magnetic fields.These are typical configurations normally used for the construction of optical fiber sensors for measuring the magnetic field). By way of example only, Figure 2 shows another diagram, this time in longitudinal section, to better clarify the arrangement of the elements.

In alternativa, sempre con l'obiettivo di sentire la variazioni del campo magnetico indotto dall' ELICA, è possibile montare due fibre ottiche affacciate di cui una montata su una piccola trave a sbalzo costituita da un materiale magnetico. Alternatively, always with the aim of sensing the variations in the magnetic field induced by the HELIX, it is possible to mount two facing optical fibers, one of which is mounted on a small cantilever beam made of a magnetic material.

In questo caso, il passaggio della PALA con il magnete in prossimità di tale trave a sbalzo genera un piccolo disallineamento delle due fibre ottiche inducendo così una diminuzione improvvisa del segnale ottico trasmesso. La figura 3 riporta a solo titolo esemplificativo la configurazione appena descritta. In entrambi i casi precedentemente descritti, la rotazione della ELICA è tradotta (attraverso l'interazione del magnete in movimento e la fibra ottica) in una seria di impulsi di luce che viaggia attraverso la fibra. E' chiaro che la frequenza di ripetizione degli impulsi generati nella propagazione del segnale ottico nella fibra ottica è una funzione della velocità di rotazione dell' ELICA che, a sua volta è funzione del flusso del fluido che scorre attraverso il tubo. In this case, the passage of the PALA with the magnet near this cantilever beam generates a small misalignment of the two optical fibers, thus inducing a sudden decrease in the transmitted optical signal. Figure 3 shows the configuration just described by way of example only. In both cases previously described, the rotation of the HELIX is translated (through the interaction of the moving magnet and the optical fiber) into a series of pulses of light that travels through the fiber. It is clear that the repetition frequency of the pulses generated in the propagation of the optical signal in the optical fiber is a function of the rotation speed of the HELIX which, in turn, is a function of the flow of the fluid flowing through the tube.

b. Un altro approccio si basa sulla possibilità di montare due fibre ottiche affacciate lasciando un piccolo spazio tra le due estremità terminali delle fibre abbastanza ampia in modo tale che la Pala dell' ELICA possa passare attraverso questo spazio interrompendo così il passaggio della luce. La figura 4 riporta a solo titolo esemplificativo la configurazione appena descritta. E' chiaro dalla descrizione di cui sopra che possiamo misurare un flusso fluido all'interno di un tubo senza mettere qualsiasi parte elettrica all'interno o vicino al tubo. Infatti l'unità di rilevazione (che contiene la sorgente laser che fornisce il segnale ottico all'interno della fibra, il fotodiodo utilizzato per rilevare il segnale ottico all'uscita della fibra che contiene la modulazione a impulsi relativa alla misurazione del flusso e la circuiteria elettronica) può essere montato ad una distanza grande a piacimento dal tubo. b. Another approach is based on the possibility of mounting two optical fibers facing each other leaving a small space between the two terminal ends of the fibers wide enough so that the propeller blade can pass through this space thus interrupting the passage of light. Figure 4 shows the configuration just described by way of example only. It is clear from the above description that we can measure a fluid flow within a tube without putting any electrical parts in or near the tube. In fact, the detection unit (which contains the laser source that supplies the optical signal inside the fiber, the photodiode used to detect the optical signal at the output of the fiber which contains the pulse modulation related to the flow measurement and the circuitry electronics) can be mounted at any distance from the tube.

Uno dei vantaggi più evidenti di questa configurazione è il fatto che la fibra ottica può essere montato sia nella parte esterna o nella parte interna del tubo in base al caso specifico. Notiamo inoltre che una sola fibra ottica può essere facilmente utilizzata per rilevare il segnale fornito da diverse ELICA. Secondo la precedente discussione è chiaro che la misurazione del flusso è legata al numero di impulsi ottici generati al secondo all'interno della fibra ottica e non all'ampiezza del segnale ottico ricevuto dal fotodiodo posto ad un estremo della fibra ottica. Questo equivale a dire che il risultato della misurazione è totalmente indipendente da qualsiasi possibile fluttuazioni di ampiezza della intensità luminosa. Di conseguenza, il numero di impulsi è correlato al numero di interazioni tra il bordo attivo dell' ELICA e il sensore ottico. Più alto è il numero di PALE con un bordo attivo maggiore è la precisione nel campionamento della velocità di rotazione. Tuttavia il peso dell'<'>ELICA aumenta all'aumentare del numero di bordi attivi che servono per modificare la sensibilità e la risoluzione del sistema. Ad ogni modo sulla stessa fibra, diversi sistemi ELICA possono essere eventualmente disposti ognuna con la sua sensibilità e risoluzione in modo da personalizzare la fase di misurazione. E' anche evidente che conoscere la velocità dì rotazione in funzione del tempo permette, tramite una semplice elaborazione del segnale, di misurare l'angolo relativo o 1' accelerazione rotazionale . One of the most obvious advantages of this configuration is the fact that the optical fiber can be mounted either in the outside or in the inside of the tube according to the specific case. We also note that a single optical fiber can be easily used to detect the signal provided by several ELICA. According to the previous discussion it is clear that the measurement of the flux is linked to the number of optical pulses generated per second inside the optical fiber and not to the amplitude of the optical signal received by the photodiode placed at one end of the optical fiber. This means that the measurement result is totally independent of any possible fluctuations in the amplitude of the light intensity. Consequently, the number of pulses is related to the number of interactions between the active edge of the HELIX and the optical sensor. The higher the number of BLADES with an active edge, the greater the precision in sampling the rotation speed. However the weight of the <'> PROPELLER increases as the number of active edges which are used to modify the sensitivity and resolution of the system increases. In any case, on the same fiber, different ELICA systems can be eventually arranged each with its own sensitivity and resolution in order to customize the measurement phase. It is also evident that knowing the speed of rotation as a function of time allows, through a simple processing of the signal, to measure the relative angle or rotational acceleration.

Oltre ad essere un misuratore di flusso, il sistema descritto precedentemente può essere utilizzato come un rilevatore di perdite. Infatti sottolineiamo esplicitamente che diversi misuratori di portata possono essere facilmente controllati dalla stessa fibra ottica. Ciò implica che il segnale rilevato dalla centralina di rilevazione fornisce informazioni simultanee su tutte le ELICA elaborate dalla fibra ottica. Questo, a sua volta, indica che un confronto tra la misurazione fornita su ciascun ELICA può permettere di rilevare eventuali perdite localizzandole con un errore pari alla distanza tra due ELICA. Come osservazione finale, notiamo anche che è facile montare sulla fibra ottica (utilizzata per elaborare la rotazione dell'ELICA) un altro tipo di sensore come i reticoli di Bragg in fibra multiparametrici per monitorare altri parametri dell' impianto sotto osservazione. Inoltre gli stessi principi di base possono essere eventualmente applicati con modeste modifiche per la misurazione della posizione, della velocità lineare, della velocità vettoriale, della accelerazione, e della forza. In addition to being a flow meter, the system described above can be used as a leak detector. In fact, we explicitly emphasize that different flow meters can be easily controlled by the same optical fiber. This implies that the signal detected by the detection control unit provides simultaneous information on all the ELICA processed by the optical fiber. This, in turn, indicates that a comparison between the measurement provided on each PROPELLER can allow you to detect any leaks by locating them with an error equal to the distance between two PROPELLERS. As a final observation, we also note that it is easy to mount on the optical fiber (used to process the rotation of the HELIX) another type of sensor such as the multiparameter fiber Bragg gratings to monitor other parameters of the plant under observation. Furthermore, the same basic principles can possibly be applied with modest modifications for the measurement of position, linear velocity, vector velocity, acceleration, and force.

Claims

CLAIMS: 1) The system, described in the previous report, to measure the flow of a fluid (liquid or gaseous) without any electrical part inside, near or in contact with the pipe.

2) Everything contained in the previous claim, also used to detect any leaks inside the pipe.

3) Everything contained in the preceding claims regardless of the particular way in which the optical fiber is used to measure the rotation speed of the PROPELLER.

4) Everything contained in the preceding claims regardless of the size, shape, method of assembly and number of magnets mounted on the PROPELLER BLADE.

5) Everything contained in the preceding claims regardless of the particular type of laser diode, LED or light source used to illuminate the optical fiber; 6) Everything contained in the preceding claims regardless of the particular type of detector used to process the light at the output of the optical fiber; 7) Everything contained in the preceding claims regardless of the number of light sources and light detectors; 8) Everything contained in the preceding claims regardless of the way of mounting both the light sources and detectors; 9) Everything contained in the preceding claims regardless of the properties (spectral, time profile, intensity, etc.) of the light that propagates inside the fiber; 10) Everything contained in the preceding claims regardless of the particular type of fiber to measure the rotation speed of the PROPELLER; 11) Everything contained in the preceding claims regardless of the characteristics, the method of assembly and the number of PROPELLERS; 12) Everything contained in the preceding claims regardless of the type of fluid circulating in the tube; 13) Everything contained in the preceding claims regardless of the distance between the detection unit and the pipe; 14) Everything contained in the previous statements regardless of the presence of other different sensors on the fiber used to measure the rotation speed of the PROPELLER; 15) Everything contained in the previous statements regardless of the type of mechanical-optical coupling object of the transduction of kinematic variables into optical variables; 16) Everything contained in the previous statements regardless of the type of kinematic variable object of the mechanical-optical transduction action.