JPS589374B2 - 水中油量検知装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電気光学装置に関するものである。

もつと詳細にいえば、油と水の混合体中の油の濃度に比
例した出力信号をうけるだめの検知器に関するものであ
る。

本出願の譲渡人はＧ．Ｄ．ＰｉｔｔおよびＨ．Ｊ．Ｓｍ
ｉｔｈ名で１９７７年１０月２１日に出願した関連した
米国特許出願第８４４２２０号（米国特許第４１４６７
９９号）「油濃度検知器」の譲渡人と同一人である。

前記出願は水がその中を流れる散乱セルと、赤外領域の
スペクトルで動作しそしてセルの一つの側に取付けられ
た半導体レーザーと、直接レーザ光および散乱レーザ光
を検知するためにレーザビームに対し角度ゼロまたは複
数個のある角度をなして配置された１個または複数個の
フオトセルを有しており、前記散乱レーザ光は水中の油
滴から反射または屈折した光である、水中の油を検知す
る装置を記述している。

自動利得制御回路は前記出願中に記述されている。

この回路はある範囲の油濃度、例えば０〜２ ０ ０
ｐｐｍにわたって動作し、この範囲内では光散乱セルの
出力は油濃度に直接比例する。

けれども、この装置は０〜２００ｐｐｍを越えた範囲で
は非線型出力を生じ、そして先行技術による光散乱型の
水中油計はこの範囲内の油量の検知に限られでいる一本
発明により、流体混合体を入れるための散乱セルと、前
記散乱セルを通して光ビームを１進めるための光源装置
と、前記散乱セルの前記光源装置が配置されている側と
反対の側の前記光ビームの進路上に配置された第１フオ
トセルと、前記第１フオトセルが光を受取るのとは異な
る方向で散乱された光を受取るために前記第１フオトセ
ルと別に配置された第２フオトセルと、前記第１フオト
セルの出力の対数関数に比例した大きさの第１電気信号
を生ずるだめの直接光装置と、前記第２フオトセルの出
力に比例した大きさの第２電気出力信号を生ずるだめの
散乱光装置と、前記第１電気信号および第２電気信号の
１つが予め定められたしきい値レベルを越えるまで前記
第２電気信号だけを予め定められた端子に切替えること
によりそして前記１つの電気信号が逆方向に前記レベル
を越えない限シ前記第１電気信号だけを前記端子に切替
えることにより前記端子に油の濃度に比例した出力を生
ずるための電気スイッチ装置とを有する水中の油を検知
するだめの装置かえられる。

第１図〜第３図において、検出装置および測定装置は光
散乱セルＣを有している。

この光散乱セルＣは中央環状体１１を備えておシ、この
中央環状体に円錐台導管１２がガスケット１３をはさん
で取付けられる。

光、例えばガリウムヒ素レーザ（図示されていない）か
らの光が第１光ファイバ１５（第１図）を通して光入射
口１４（第２図）に送られ、そしてその光は光出射口１
６，１７を通してファイバ１８，１９に送られる。

ファイバ１８，１９は光検知器、例えばフオトセルに接
続される。

内側に向いた板部品２０はセルＣに入る光ビームの方向
を定め、偽反射を減らす。

第２図に示されているように、入射光１４からの光は出
射口１６を通して「直進」信号として検知され、そして
角度αをなす出射口１７を通る光経路で検知される。

第３図の曲線は出射口１６，１７にそれぞれ接続された
検知器の典型的な出力を示している。

油滴が存在する場合、直接光ビームの強度は指数関数的
に減少する。

散乱光は最初はほぼ直線的に増加するが、油量がある程
度高もなると最大値に達し、それから減少する。

ここに記述される装置では、この最大値は油量約３００
４００ｐｐｍのところで起こる。

さびや砂のような固体汚染体に対し、散乱光出力は「直
進」出力より影響を受けないことが知られている。

例えば、大きさ４ミクロンをもった１０ ００ｐｐｍの
さびがこの装置を通過するならば、直接光出力は典型的
には等価的に油量３ ００ ｐｐｍを記録するが、散乱
光出力は１． ５ ０ ｐｐｍを記録するだけである。

したがって、砂やさびの効果を小さくするだめに、油量
濃度の小さい場合、散乱光強度を使った方がずっと利点
が多い。

本発明により、「直進」光から散乱光に検知モードを変
えることにより、１０００ｐｐｍの全範囲を測定できる
ことがわかった。

したがって、散乱光出力の線型的増加が利用されるが、
しかし油滴による減衰が散乱効果よりも大きくなるとき
、そして出力が最大に達したとき、「直進」光検知への
自動的変更が行なわれる。

直接光強度の減衰は対数増幅器を使って線型化される。

油水と接触している光学窓を使った方法の場合にさらに
問題となるのは、窓それ自身が汚れるということであり
、そのために装置の較正が変わってしまう。

先行技術では、直接光出力からの信号が常時監視され、
そしてこの直接光出力を使って散乱光検出器からの信号
を補正する。

けれども、油量濃度が大きい場合には、減衰が極めて大
きいので出力は直線的変化から遠くずれている。

本発明の装置は自動利得制御回路ＡＧＣを用いてこの問
題を解決した。

この自動利得制御回路はこの装置がきれいな水が入って
いることがわかっているときだけ動作する。

セル内の液体の吸収八は次の式で与えられる。

Ａ＝ ｌｏｇＩｏ−ｌｏｇＩｔ ここで■ｏは入射光の強度であり、Ｉｔは出力光の強度
である。

もし■ｏが一定に保たれているならば、そしてＡが油濃
度Ｃに比例しているならば Ｃ＝Ｋ ｌｏｇＩｏ−Ｋ ｌｏｇＩｔ である。

ここで、Ｋは定数である。したがって、出力油濃度読取
りをうるために、セルＣの「直進」進号が対数動作をす
る増幅器に送られなければならない。

また窓が汚れたとき、この装置は信号増幅器を調節して
、応答曲線の同じ部分で動作させるようにする。

検知器回路および出力回路が第４図、第５図に示されて
いる。

これらの回路は光検知器４１，４２、検知器増幅器４３
，４４、自動利得制御装置４５、固体レーザ４５′を有
している。

検知器回路の制御は自動利得制御装置によって行なわれ
る。

ＡＧＣ装置はＩＣ１５およびＩＣ１６で示された２個の
デジタル・アナログ変換器を有している。

この目的のための適当な装置は集積回路ＺＮ４２５Ｅ（
Ｆｅｒｒａｎｔｉ社製）であり、この装置は各入力に対
し８ビットカウンタを有している。

この変換器の出力は次の式で与えられる。

■ｒｅｆ・ｎ／２５６ ここで、Ｖｒｅｆは対応する入力電圧であり、ｎはカウ
ンタに入力するパルス数（２５６までの）である。

この回路の較正が必要であるとき、スイッチＳ１（第４
図）が閉じられて、例えばＮＥ５５５であるタイマＩＣ
１４を設定する。

このタイマの１つの出力はセルＣにきれいな水を供給す
るポンプＰの洗浄弁（図示されていない）を作動する。

きれいな水による洗浄が予め定められた時間、例えば３
分間、行なわれた後、タイマＩＣ１４はきれいな水の流
れを止め、そして出力パルスを発生してＩＣ１５，ＩＣ
１６のカウンタをリセットし、および例えばＳＮ７４０
０であるＩＣ１０のフリップフロツプをセットする。

これにより非安定マルチバイブレータであるＩＣ１１か
らのパルスによりＩＣ１５，ＩＣ１６のカウンタがクロ
ツクされる。

ＩＣ１５の出力が増大し、その出力が０．２ボルトに達
したとき、比較器として接続されているＩＣ１３が状態
を変え、そしてフリツブフロツプＩＣ１０をトリガして
ＩＣ１５，ＩＣ１６にパルスを送るのを停止させる。

この装置により、対数増幅器ＩＣ２（７５５Ｐ）が一定
の「油ゼロ」電圧を生ずる。

散乱光チャンネル、すなわちＩＣ４、の利得は「直進」
チャンネルの利得と一緒に調節される。

セルの口１４，１６．１７の１個または複数個または全
部が汚れて「直進」入力が０．２ボルト以下になった場
合、ＩＣ１３は状態を変えず、そしてＩＣ１０のフリツ
プフロツプがトリガされず、したがって出力トランジス
タＴＲ１を通して警告光に切替えられる。

ＩＣ５，ＩＣ６，ＩＣ７を有する回路はレンジ切替装置
である。

レンジ切替はリレーＲＬ１を通して約２ ０ ０ｐｐｍ
の油量で行なわれる。

散乱光増幅器ＩＣ４の較正を検査することは、たとえば
、予め定められた油濃度に対応したフイルタを光経路に
入れることによっては不可能である。

それは、直進光信号経路とは違って、もし油がないなら
ば散乱光検知器からの出力でゼロであるためである。

したがって、この装置の正しい較正を検査するために、
較正スイッチ５１（第５図）が開かれるとき、「直進」
信号の一部分が散乱光装置の入力に印加される。

もし較正が正しいままであるならば、この結果えられる
出力信号は一定のはずである。

「直進」増幅器と散乱光増幅器のそれぞれの出力Ａ，Ｂ
がリレーの切替接点に接続され、その出力がバツファ出
力増幅器ＩＣ１（第４図）に接続され、チャートレコー
ダまたは表示に出力が供給される。

別の応用例では、第２図に示された角度よりも大きな角
度で散乱された光を受入れるだめのさらに別の光出射光
（図示されていない）がセルに備えられる。

このさらに別の出口に接続された別の検知器の出力が角
度αで散乱された光を受入れる検知器の出力と比較され
る。

このようにして、固体汚染粒子の影響が大幅に小さくさ
れる。

この検知装置のための提案された光源はガリウムヒ素レ
ーザである。

このレーザの出力波長は水の吸収バンド領域を越えた赤
外スペクトル領域にある。

このようなレーザを高速ケイ素光検知器と共に用いれば
、雑音レベルの小さな非常に安定な装置かえられる。

このレーザは、光ファイバを通してレーザの前面または
後面から光をとり、そしてこの光が測定され、そしてこ
の装置が時間や温１度によシ劣化したときレーザ入力を
増加したりまたは減少したシする信号を供給する別の装
置により制御される。

またはケイ素検知器をレーザ封入容器の中に入れて制御
信号をうろことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明により構成された光散乱セルの分解立体
図、第２図はセルを通る光経路を示したセルの横断面図
、第３図は本発明の動作の特性曲線、第４図は本発明の
増幅器および利得制御回路の概略図、第５図は第４図の
回路のブロック線図を示す。 ４５′・・・・・・光源、４２・・・・・・第１フオト
セル、４１・・・・・・第２フオトセル、４４，ＩＣ１
５・・・・・・直接光装置、４３，ＩＣ１６・・・・・
・散乱光装置、ＩＣ５，ＩＣ６，ＩＣ７・・・・・・電
気スイッチ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 流体混合体を受入れるだめの散乱セルと、前記散乱
   セルを通過する光ビームを方向付ける光源手段と、前記
   光源手段が配置されている前記散乱セルの側と反対の側
   の前記光ビームの進路上に配置された第１のフオトセル
   と、前記第１のフオトセルと隔置され前記第１のフオト
   セルが光を受取るのとは異なる方向で散乱光を受取る第
   ２のフオトセルと、前記第１のフオトセルの出力の対数
   関数である大きさを有する第１の電気信号を発生する第
   １の手段と、前記第２のフオトセルの出力に直接比例し
   た大きさを有する第２の電気信号を発生する第２の手段
   と、前記第１および第２の電気信号のうちの１つが予定
   の閾値レベルを通過するまで前記第２の電気信号だけを
   予定の端子に切替えることによりかつその時前記電気信
   号のうちの１つが前記レベルを逆方向に通過しない限り
   前記第１の電気信号だけを前記端子に切替えることによ
   り前記端子に油の濃度に比例した出力を発生する電気ス
   イッチ手段とを有する水中油量検出装置。