NO148689B - Detektorapparat for aa detektere naervaer av en ikke-blandbar fremmedvaeske paa overflaten av en annen vaeske - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår et detektorapparat for å detektere nærvær av en ikke-blandbar fremmedvæske på overflaten av en annen væske, f.eks. olje på en vannflate.

Formålet med denne oppfinnelse er å tilveiebringe en detektor som er enkel og har lang levetid og som kan fremstilles til lave omkostninger. Et annet formål er å gjøre det mulig å diskriminere mellom de forskjellige faktorer som påvirker var-meoverføring til en væske, for derved å eliminere tilfeldige eller uvedkommende forhold, såsom temperaturendringer, for opp-nåelse av et detektor-apparat som er overordentlig følsomt og pålitelig.

Det har i praksis på dette felt vært fremsatt tallrike forslag til detektorsystemer for oljeforurensning. Literaturen på området beskriver mange forskjellige innretninger, innbefattet brennstoffdampdetektorer, detektorer av den type som avføler olje i kjelevann, optiske overflatesensorer, sensorer basert på radifrekvens-ledningsevne, oljesensorer som arbeider i det nær-ultrafiolette område og innretninger av typen kapillarbølgefor-plantning. Videre er det kjent at hydrokarboner på vannoverfla-ten eller under overflaten normalt kan detekteres ved visuell iakttagelse, ved lukten eller smaken. Skjønt problemet deteksjon i forbindelse med oljeforurensning lenge har vært kjent,

er det ingen av de tidligere kjente forslag som antyder et prak-tisk,' enkelt apparat for oljedeteksjon.

Den publiserte tyske patentsøknad 2 229 464 beskriver rik-tignok et detektorapparat basert på termisk ledningsevne for bruk ved gasskromatografi. Dette er imidlertid en anvendelse

som er helt forskjellig fra den som har interesse i foreliggende sak, nemlig i første rekke oljedeteksjon. Den tyske pub-likasjon omhandler en innretning som er følsom for termisk ledningsevne og som inngår i en Wheatstone's bro sammen med en forsterker som leverer strøm til brokretsen.

Videre er det fra GB-patent 1 214 266 kjent en strømkrets for bestemmelse av temperaturen av et varmefølsomt element, hvor

det dessuten besørges kompensasjon for uvedkommende eller para-sittiske parametre. Også her er imidlertid de påtenkte anvendelser helt forskjellige fra hva foreliggende oppfinnelse tar sikte på.

I praksis har det på området oljedeteksjon vært gjort for-søk med løsninger og systemer som er langt mer kompliserte og vanskelige i drift enn det som er å ønske.

På bakgrunn av den kjente teknikk tar således oppfinnelsen utgangspunkt i et detektorapparat av den art som omfatter en overvåkningsinnretning som utsettes for varmeoverføringskontakt med en væske når den neddykkes i denne, og som er i stand til å dissipere (forbruke) elektrisk effekt og har en elektrisk karakteristikk eller parameter (f.eks. motstand) som blir endret som funksjon av temperaturen, og en gjenopprettende elektrisk krets forbundet med overvåkningsinnretningen for å levere elektrisk effekt til denne, hvilken elektrisk krets omfatter en referanse-anordning som representerer en forutbestemt ønsket verdi av den elektriske karakteristikk av overvåkningsinnretningen,

og den elektriske krets er innrettet til ved endring i den virkelige verdi av den elektriske karakteristikk av overvåkningsinnretningen, å forandre effektstrømmen til overvåkningsinnretningen for å gjenopprette den virkelige verdi av den nevnte karakteristikk av overvåkningsinnretningen, i retning mot den forutbestemte ønskede verdi.

Det nye og særegne ved apparatet ifølge oppfinnelsen består i første rekke i at overvåkningsinnretningen omfatter et elektrisk nettverk som inkluderer et sett overvåkningselementer ved en utgangskrets som er påvirkbar av effektstrømtilstandene i overvåkningsinnretningen for å gi en indikasjon på endringer i varmetapshastigheten fra overvåkningsinnretningen, og ved en sondeanordning innrettet til å anbringe overvåkningsinnretningen for neddykning i en fremmedvæske på overflaten av den annen væske.

Ved hjelp av oppfinnelsen blir det således oppnådd et enkelt, billig følsomt og pålitelig detektorapparat basert på det prinsipp at konveksjonstapene fra detektorelementet blir redu-sert når elementet er omgitt av olje eller en annen fremmedvæske.

Denne oppfinnelse samt ytterligere utførelsesformer og - spesielle trekk ved denne skal forklares nærmere i det følgende under henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 skjematisk viser strømkretsene i en foretrukken utfø-relsesform av oppfinnelsen som anvender en seriekob-ling av to termistorer. Fig. 2 er et skjema i likhet med det på fig. 1 for en utfø-relse som anvender en parallellkobling av to termisto-ref. Fig. 3 er et skjema for en utførelse som anvender en opera sjonsforsterker . Fig. 3a er et skjema for en utførelse som anvender en opera sjonsforsterker . Fig. 4 viser skjematisk og forenklet en oljedeteksjonsenhet med to termistorer og som anvender strømkretsene på fig. eller 2. Fig.'5 er et skjema for en strømkrets som kombinerer to av termistorkretsene på fig. 1 i et summeringsarrangement med enkelt-termistorer i følekretsene eller -armene.

På fig. 1 arbeider en transistor Q, - som er en fem-watts silisium-transistor med P høyere enn 100, som en vanlig serie-regulator. En transistor som er en vanlig NPN-transistor med P høyere enn 100, tjener til å modifisere eller endre basis-strømmen til transistoren Q, i avhengighet av den strøm som flyter mellom basis og emitter på transistoren , hvilken strøm på sin side forårsakes av en motstands-ubalanse i den viste motstands-sammenligningsbrp. To armer i denne bro er dannet av motstander R-^ og R_ på 1000 il, mens de øvrige armer dannes av en referansemotstand på 190 -TL og en hjelpebro bestående av seriekoblingene av to termistorer T, og i parallell med seriekoblede motstander R^ og R,.. Termistorene T, og T~ er begge av type Fenwal GD31SM2 og har negative temperaturkoeffisienter. Motstandene R4 og har begge verdien 1000 -fl . Basis og emitter på transistoren Q2 er koblet til midtpunktene av motstands-sammenligningsbrokretsen. En diode D er en vanlig komponent for milliwatt-området og tjener til å kompensere for fremad-potensialet mellom basis og emitter på transistoren Q2. Ved en omgivelsestemperatur på 25°C har hver av termistorene T 1 og 1^

en motstandsverdi på 1000 JT.

' Når motstands-sammenligningsbroen på fig. 1 under drift kommer i ubalanse, oppstår det en potensialdifferanse mellom punktene A og B. Når motstanden av hjelpebroen er større enn referansemotstanden, blir transistoren Q2 blokkert, hvilket til-later at transistoren Q1 blir fullt utstyrt. Det flyter derfor

i

strøm gjennom hjelpebroen til jord slik at det bevirkes opp-varmning av termistorene og en ledsagende reduksjon- av motstandsverdien av disse. Strøm vil fortsette å flyte inntil motstandsverdien av termistorene og T2 endres, hvorved potensial-differansen mellom A og B reduseres og broen bringes tilbake til balanse. Transistoren Q2 begynner da å lede, idet den frarøver transistoren Q1 noe av dennes basis-strøm, hvorved den delvis blir blokkert. Når transistoren Q, gradvis blir blokkert, reduseres strømgjennomgangen i hjelpebroen. Følgelig vil denne gjenopprettende elektronikk-krets forsøke å holde motstandsverdien av hjelpebroen, bestående av de seriekoblede termistorer og motstandene og R,., lik motstandsverdien av referansemotstanden R^ med de varierende tilstander i det omgivende medium.

Når termistorene T^ og T_ utsettes for et slikt omgivende medium at graden av varmetap fra hver av termistorene er den samme, vil hjelpebroen med motstandene og R,, være i balanse, og den spenning som måles av voltmetret V er lik 0. Hvis for eksempel temperaturen av det omgivende medium skulle forandre seg, vil motstandsverdiene for termistorene T-^ og T2 endres. Motstands-sammenligningsbroen vil da bli ubalansert og den gjenopprettende krets vil regulere strømgjennomgangen i hjelpebroen slik at balanse blir gjenopprettet. Utgangsvoltmetret V vil imidlertid fortsette å vise avlesningen 0 fordi temperaturen av termistoren T^ forblir lik temperaturen av termistoren T2, selv om strømgjennomgangen i termistorene vil ha variert. Temperatur-kompensasjon er oppnådd på enkel måte ved å anbringe disse to termistorer i samme arm av hovedbrokretsen. Når imidlertid temperaturen av termistorene T^ og T2 er forskjellig, slik som f.eks. når den ene termistor utsettes for et fluidum i ro og den annen for det samme fluidum i bevegelse, blir hjelpebroen ubalansert og det vil opptre en spenning over voltmetret V, hvilket indikerer hastigheten av det fluidum som er i bevegelse.

I den likeartede utførelse på fig. 2 er termistorene T-^ og T2 koblet i parallell med hjelpebroen som har armer T^, T2,

R^ og R^. Virkemåten er tilsvarende den på fig. 1. Bare når temperaturene på termistorene T^ og T2 ér forskjellige, vil voltmetret V vise utslag.

Fig. 3 er en utførelse av oppfinnelsen som anvender operasjonsforsterkere. En operasjonsforsterker 10 er koblet over referansmotstanden R^ og tjener som inverteringsforsterker med forsterkning lik 1 og med utgangssignal som er proporsjonalt med spenningen over motstanden R^. En operasjonsforsterker 11 er koblet over hjelpebroen med armer T-^, T2 , Rg og R-^0 og tjener som forsterker med forsterkning lik 1 og med utgangssignal proporsjonalt med spenningen over hjelpebroen. De to utganger blir subtrahert fra hverandre elektrisk og differansen virker som inngangssignal på en operasjonsforsterker 12 som arbeider som summeringsforsterker med forsterkning lik 10, med utgangssignal proporsjonalt med differansen mellom spenningene over

hjelpebroen og referansemotstanden R^. På grunn av strømgjennom-gangen i hjelpebroen er lik strømmen gjennom referansemotstanden R^ er utgangssignalet av operasjonsforsterkeren 12 proporsjonalt med differansen i motstandsverdi mellom hjelpebroen og referansemotstanden RjQ. Utgangssignalet fra operasjonsforsterkeren 12 føres til basis på en transistor Q for styring av strømgjennom-gangen i hjelpebroen og regulering av dennes motstandsverdi.

Et voltmeter 16 er koblet over hjelpebroen for å angi differansen i motstandsverdi mellom termistorene T, og T2.

I denne utførelse er frekvenskompensasjon og strøm-tilførsel til operasjonsforsterkerne ikke vist da disse deler av kretsen er av rent konvensjonell art. De følgende komponenter anvendes:

Fig. 3a viser en utførelsesform av oppfinnelsen i likhet med den på fig. 1 hvor transistoren Q2 på fig. 1 er blitt er-stattet med en operasjonsforsterker 12 hvis utgang gir et mål på hovedbroens ubalanse. Denne utgang styrer strømgjennomgangen i følekretsen eller -armen via transistoren Q^. Fig. 4 viser en oljedeteksjons-enhet som anvender kretsen på fig. 1 eller 2. 01jedeteksjonssystemet omfatter et flyte-legeme i form av et rørformet hus 50 innrettet til å flyte i vann 52 som skal overvåkes. Huset 50 har et øvre og et nedre

hulrom 54 henholdsvis 56. Oppdriften av huset 50 er slik at hulrommet 54 befinner seg ved overflaten av vannet mens hulrommet 56 er neddykket. En referansetermistor 20 er anbrakt i hulrommet 56 slik at den holdes under vann. En føletermistor 22 er anbrakt i hulrommet 54 ved grenseflaten mellom luft og væske slik at den utsettes for olje hvis det skulle foreligge en oljefilm 24 på den vannoverflate som overvåkes. 01jedeteksjons-enheten kan være helt selvforsynt og kan omfatte batterier 30 (som virker som ballast), en elektronikk-krets 32 som vist på fig. 1 eller 2,

og en utgangsindikator 34 på sin øvre overflate. I andre ut-formninger kan enheten være koblet ved hjelp av fleksibel kabel (ikke vist) til en fjerntliggende strømforsyningsenhet og til fjerntliggende utgangs- eller indikatorkretser.

På fig. 5 er det vist to kretser som på fig. 1 sammen-koblet i et summeringsarrangement som anvender enkelt-termistorer i følearmene eller -kretsene. Den ene av termistorkretsene virker som referanse. Når strømmen gjennom termistoren T. ad-skiller seg fra strømmen gjennom termistoren T2 , oppstår det et utgangssignal på ledningene ^ og i . Hvis f.eks. termistoren T2 som er referanse, utsettes for vann, og termistoren T, utsettes for vann med en mindre mengde alkohol tilsatt, vil den effekt som kreves for å holde de to termistorer på en konstant, forutvalgt temperatur, være forskjellig på grunn av de ulike varmeoverførings-karakteristikker for de to fluida. Et utgangssignal vil derfor oppstå på ledningene /, og t slik at nærvær av et fortynningsmiddel eller en forurensning kan indikeres.

For visse anvendelser trenger referansekretsen ikke å være en annen termistorkrets, men kan bestå av en enkel motstandskrets som referanse.

Selv om de foretrukne innretninger som brukes til å be-sørge termistor-funksjonene i forbindelse med denne oppfinnelse,

nemlig halvleder-enheter betegnet som "termistorer", vil det inn-sees at trekk ved denne oppfinnelse kan realiseres ved anvendelse av andre innretninger eller kombinasjoner hvis virkning i kretsen varierer med temperaturen på entydig måte. For eksempel kan det anvendes en temperaturfølsom diode eller transistor i visse til-feller, forutsatt at deres temperaturkarakteristikk svarer til behovet i vedkommende spesielle anvendelse. Videre kan det anvendes et metallfilament, f.eks. av wolfram, hvis motstandsverdi er temperatur-avhengig.

Claims (19)

1. Detektor-apparat for å detektere nærvær av en ikke-blandbar fremmedvæske på overflaten av en annen væske, f.eks. olje på en vannflate, omfattende en overvåkningsinnretning (T^, T^) som utsettes for varmeoverføringskontakt med en væske når den neddykkes i denne, og som er i stand til å dissipere (forbruke) elektrisk effekt og har en elektrisk karakteristikk eller parameter (f.eks. motstand) som blir endret som funksjon av temperaturen, og en gjenopprettende elektrisk krets (Q^, Q^ ; 10, 11, 12, Q; , Q, D) forbundet med overvåkningsinnretningen (T-^f for å levere elektrisk effekt til denne, hvilken elektriske krets omfatter en referanse-anordning (R^' R]_) som representerer en forutbestemt ønsket verdi av den elektriske karakteristikk av overvåkningsinnretningen, og den elektriske krets er innrettet til ved endring i den virkelige verdi av den elektriske karakteristikk av overvåkningsinnretningen (T^, T^), å forandre effektstrømmen til overvåkningsinnretningen for å gjenopprette den virkelige verdi av den nevnte karakteristikk av overvåkningsinnretningen, i retning mot den forutbestemte ønskede verdi, karakterisert ved at overvåkningsinnretningen omfatter et elektrisk nettverk som inkluderer et sett overvåkningselementer (T^, T2>, ved en utgangskrets (V) som er påvirkbar av effektstrømtilstandene i overvåkningsinnretningen for å gi en indikasjon på endringer i varmetapshastigheten fra overvåkningsinnretningen (T^, T^), og ved en sondeanordning innrettet til å anbringe overvåkningsinnretningen for neddykning i en fremmedvæske på overflaten av den annen væske.

2. Detektor ifølge krav 1, karakterisert ved at den gjenopprettende elektriske krets omfatter en gjenopprettende elektronisk energise-ringskrets (Q-^, Q^) som er påvirkbar av endringen i en elektrisk karakteristikk eller parameter for det elektriske nettverk fra den nevnte forutbestemte ønskede verdi, for å variere strøm-eller -effekt-tilførselen til nettverket på slik måte at den virkelige eller aktuelle elektriske karakteristikk av det elektriske nettverk gjenopprettes i retning mot den nevnte forutbestemte verdi, og en anordning (V) til å avlede et utgangssignal avhengig av elektriske karakteristikk-verdier for individuelle overvåkningselementer i overvåkningsinnretningen.

3. Detektor ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at overvåkningsinnretningen omfatter i det minste ett termistorelement.

4. Detektor ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at overvåkningsinnretningen omfatter i det minste ett overvåkningselement laget av et temperatur-følsomt metall, såsom wolfram.

5. Detektor ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at den nevnte elektriske karakteristikk eller parameter er motstand og den gjenopprettende krets omfatter en motstands-komparator (R^; R^ - R^) som angir differansen mellom den foreliggende motstandsverdi av overvåkningsinnretningen og motstandsverdien av referanseanordningen, og en effekt-regulator (Q^, Q2) som er påvirkbar av komparatoren for å variere strøm- eller effekttilførselen gjennom overvåkningsinnretningen for å redusere den nevnte differanse .

6. Detektor ifølge krav 5, karakterisert ved at effekt-regulatoren omfatter en transistoranordning (Q^) som virker som serie-regulator, koblet mellom en energikilde og overvåkningsinnretningen.

7. Detektor ifølge krav 6, karakterisert ved at motstands-komparatoren omfatter i det minste én referansemotstand og en anordning koblet slik at signalet på en utgangsledning fra denne representerer den nevnte differanse, og at den effektive basis i effekt-regulatorens transistor--anordning (Q^) er forbundet med kompa-ratorens utgangsledning.

8. Detektor ifølge krav 5, karakterisert ved at motstands-komparatoren omfatter en første, en annen og en tredje operasjonsforsterker (10, 11, 12) hvorav den første (10) er koblet slik at dens utgangssignal representerer motstandsverdien av den nevnte referanse (R^), den annen (11) er koblet slik at dens utgangssignal representerer motstandsverdien av overvåkningsinnretningen (T , T2, Rg, R-^q) og den tredje operasjonsforsterker som inngangs-signaler mottar utgangssignalene fra den første og den annen operasjonsforsterker (LO, 11), og er koblet slik at utgangssignalet fra den tredje operasjonsforsterker (12) representerer den nevnte differanse mellom den foreliggende motstandsverdi av overvåkningsinnretningen og den nevnte referanse.

9. Detektor ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at den nevnte elektriske karakteristikk eller parameter er elektrisk motstand, at den gjenopprettende krets omfatter en motstands-komparator som inn-befatter i det minste én referansemotstand og en transistoranordning (Q) koblet slik at signalet på en utgangsledning fra transistoranordningen representerer differansen mellom den foreliggende virkelige verdi av motstanden og overvåkningsinnretningen og motstandsverdien av referanseanordningen.

10. Detektor ifølge krav 9, karakterisert ved at overvåkningsinnretningen og et flertall motstander omfatter et bro-nettverk, og at transistoranordningen (Q2) er koblet slik at den representerer den grad av ubalanse i bro-nettverket som kan tilskrives differansen i den foreliggende motstandsverdi av overvåkningsinnretningen fra den nevnte forutbestemte null-verdi.

11. Detektor ifølge krav 1, karakterisert ved at den nevnte elektriske karakteristikk eller parameter er elektrisk motstand og nettverket omfatter den ene arm på en motstands-ammenligningsbro, hvilket nettverk er koblet til å drives mot balanse i broen av den nevnte gjenopprettende krets.

12. Detektor ifølge krav 1 eller 11, karakterisert ved at det nevnte nettverk omfatter en hjelpebro med to overvåkningselementer (T^, H^) og to motstander (R^, R^) med samme verdi, hvilket utgjør en spen-ningsdeler, og en anordning til å utlede et signal fra hjelpebroen avhengig av differansen i motstand i overvåkningselementene.

13. Detektor ifølge krav 12, karakterisert ved at overvåkningselementene 'Tl' T2^ er ^°'3-'-et ^ serie i hjelpebroen, og at det nevnte signal er spenningen over hjelpebroen mellom punkter som henholdsvis ligger mellom de to overvåkningselementer og de to motstander (R , R ).

14. Detektor ifølge krav 13, karakterisert ved at overvåkningselementene (T^, T2) er koblet i parallell i hjelpebroen og at det nevnte signal er spenningen over hjelpebroen mellom to punkter i de respektive armer av hjelpebroen, idet hvert punkt ligger mellom ett av overvåkningselementene og den tilhørende motstand (R^, R5) •

15. Detektor ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at sonden (50) omfatter et flottørlegeme innrettet til å flyte fritt på overflaten av den nevnte væske.

16. Detektor ifølge krav 15, hvor den fremmedvæske som skal av-føles, flyter på vann, karakterisert ved at overvåkningsinnretningen omfatter overvåkningselementer med en elektrisk motstand som av-tar med økende temperatur, hvorved oppvarmningsvirkningen av et overvåkningselement når fremmedvæsken har lavere viskositet enn vann, er mindre enn når bare vann er til stede, hvorved det er mulig å redusere konveksjonstapene ved nærvær av høye olje-des-tillater og lignende for å muliggjøre deteksjon av disse.

17. Detektor ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved et første overvåkningselement (22) som tjener som føler for fremmevæsken som skal avfø-les, og et annet overvåkningselement (20) som tjener som tempe-raturkompensator utsatt for den samme temperatur som det første overvåkningselement og ikke utsettes for den fremmedvæske som skal avføles.

18. Detektor ifølge krav 17, innrettet til å detektere en væske som flyter på vann, karakterisert ved at et første (22) av overvåkningselementene er plassert på et første nivå for varmeover-føringskontakt med vannet og et annet (20) av overvåkningselementene er plassert på et forholdsvis høyere nivå for varmeover- føringskontakt med den nevnte væske når den er til stede.

19. Detektor ifølge krav 17, innrettet til å detektere forurensning av vann, karakterisert ved at overvåkningselementene og de nevnte kretser er valgt slik at de påvirkes av differan-ser i varmeoverførings-karakteristikken mellom vann og en forurensende væske, idet ett (22). av overvåkningselementene utsettes for vann som er gjenstand for den forurensende væske og det annet (20) er utsatt for vann som ikke er utsatt for denne forurensning .