NO148761B - Apparat for fortloepende kvantitativ detektering av olje i vann - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et apparat for kvantitativt å detektere oljeforekomster i vann og særlig et apparat for fort-løpende å fastsette oljekonsentrasjonen på grunnlag av den vinkel-spredning som en innfallende polarisert stråle fra en infrarød laser utsettes for når den treffer oljedråper i vannet.

Det er fra norsk patent nr. 113.144 og US patent

nr. 3.518.437 kjent at det lys som spres av oljepartiklene i en olje-vann blanding benyttes som mål på oljemengden. Det er fra sistnevnte patent også kjent at intensiteten av det lys som spres av oljepartiklene i en strømmende olje-vann blanding måles av en lysdetektor og sammenlignes med utgangssignalet fra en annen lysdetektor som måler intensiteten av det direkte gjennomfallende lys. De to lysdetektorer danner vanligvis en viss vinkel med hverandre.

Det er videre kjent fra US patent nr. 3.745.350 å måle sikt-barhet i luft ved å bruke infrarød stråling og sammenligne direkte lys med lys som spres i et område av 3 0-45°. Et annet eksempel er et apparat, kjent fra US patent nr; 3.800.147, for målinger av uklarheter eller grumsethet i væsker hvor forsterkningsgraden av en forsterker som mottar signaler fra en 90° forskjøvet spredt-lys-detektor, varieres i avhengighet av intensiteten av lys mottatt ad en direkte vei.

Polarisert lys har også tidligere vært benyttet ved bestemmelse av forurensninger i væsker, som f.eks. i US Patent nr. 3.612.68 9, hvor forholdet mellom polarisert og depolarisert lys bestemmes ut fra lys som spres mer enn 150° fra den innsendte lysstråle. Polarisert lys fra lasere har også vært benyttet, som beskrevet i US Patent nr. 3.835.315, for bestemmelse av partikkel-parametre ved måling av polarisert lys som spres ved små vinkler fra de angjeldende partikler.

I mange situasjoner, slik som ved lossing av vannballast fra en oljetanker, er det nødvendig å måle forurensningsnivået av olje i strømmende vann. Oljen, som vanligvis befinner seg i form av fint dispergerte dråper i vannet, kan bli målt ved å rette diffust lys fra en lyskilde gjennom vannet og å måle lyset som spres ut i en retning som danner en vinkel med den innfallende strålen. Denne metoden er enkel og har ofte funnet anvendelse i praksis, men lider av enkelte ulemper. Således vil avsetning av urenheter på detektorsystemet redusere det innkomne lys i detektoren og vil medføre feilaktige avlesninger. Videre er det van-skelig med konvensjonelle lyskilder å frembringe en lysstråle som har en tilstrekkelig intensitet til at virkelig små oljeforurens-ninger kan detekteres. En slik detektor gir også falske avlesninger når andre forurensningslegemer, som f.eks. rustpartikler, er til stede i væskestrømmen.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å minske eller helt å unngå de ovennevnte ulemper.

Dette oppnås ved å anvende et apparat utformet i henhold til de nedenfor fremsatte krav.

Av hensyn til språklig enkelhet er strålen fra en laser nedenfor omtalt som "lysstråle", selv om den skulle ligge utenfor den synlige del av spekteret.

"Solid state" lasere, f.eks. av galium aluminium arsenid typen, kan arbeide i det infrarøde området ved bølgelengder mellom 8500 Å og 9200 Å, og er idéelt egnet for å tilveiebringe en intens, monokromatisk lysstråle for måling av spredningslys. Dessuten kan virkningen av forurensninger som rustpartikler i væskestrømmen i stor grad reduseres ved å foreta målingene ved infrarøde frekvenser og ved en relativt liten vinkel til den innfallende lysstråle. I henhold til foreliggende oppfinnelse vil utnyttelse av polariseringseffekter som oppstår ved den diffuse spredning av laserstrålene, ytterligere kunne hjelpe til med å fjerne falske signaler fra andre forurensninger enn olje.

For å gi en klarere forståelse av foreliggende oppfinnelse, vises til nedenstående detaljerte beskrivelse av utførelses-eksempler og til de ledsagende tegninger, hvor: - Fig. 1 viser en skjematisk fremstilling av en oljedetektor i henhold til foreliggende oppfinnelse, hvor måleteknikken omfatter både absorbsjon og spredning av lyset, - Fig. 2 viser komponentene som inngår i en detektorcelle i et arrangement i henhold til fig. 1 tegnet i avstand fra hverandre, men slik de skal monteres, - Fig. 3 viser kretsen for detektorens forsterker i henhold til fig. 1, - Fig. 4 viser drivkretsen for drift av den infrarøde laser i detektoren i henhold til fig. 1, og - Fig. 5 viser kurver som angir detektorens reaksjon på ulike typer av råolje.

På figurene 1 og 2 er oljedetektoren tilkoblet en målecelle eller et gjennomstrømningsområde 10, som er anbragt i en væske-kanal. En halvlederlaser 11, som arbeider i det infrarøde området og som drives av en laser drivkrets 11', og som dessuten fortrinnsvis kan være av GaAlAs- eller GaAlP-typen, er koblet til et vindu i gjennomstrømningsområdet 10 via et system av optiske fibre 12, og sender lys gjennom cellen til en detektor 13 som detekterer laserens utgangssignal via et fiberoptisk system 14 som er anbragt i linje med laserens innfallsstråle, og én eller flere lysspredningsdetektorer 14', 15, som også er tilkoblet hvert sitt fiberoptiske system 16, 17. Disse ytterligere detektorer er anbragt slik at de danner relativt små vinkler, f.eks. 20°, med laserens innfallsstråle. La oss først se på det tilfelle at det bare er én lysspredningsdetektor 14'. (Dette til-svarer ikke eksakt figur 1, hvor to spredningsdetektorer 14' og 15 er vist). Utgangen fra lysspredningsdetektoren 14' føres da over en forsterker 19 og en styringskrets 22 som innvirker på signalets amplityde og tidsforløp, til en styrt utgangsforsterker 25, og signalet fra denne styres i sin tur direkte av utgangen fra utgangsnivådetektoren 13 over en automatisk forsterknings-regulator 21, 24. På denne måten kompenserer detektorsystemet automatisk for forandringer i laserens 11 utgang som skyldes elding eller nærvær av forurensninger på cellens vinduer. På denne måten fås automatisk og kontinuerlig korrigerte oljenivå-avlesninger fra utgangsforsterkeren.

I enkelte anvendelser kan en ytterligere lysspredningsdetektor 15, som er anbragt slik at den danner den samme vinkel med laserens innfallsstråle som den første detektor 14', benyttes for å oppheve de små forstyrrelser som forårsakes av nærvær av rustpartikler i væskestrømmen. I dette arrangementet, som er det som er vist på figuren, kan laserens utgang være polarisert, og en tilsvarende krysset polarisator er tilpasset den ytterligere detektor 15. Fordi rustpartiklene dreier polarisasjonsplanet til den innfallende lysstråle, vil den andre detektoren 15 bare måle det lys som spres fra de faste partikler. Utgangene fra de to spredningsdetektorer 14", 15 sammenlignes via en subtraherings-krets eller differensialforsterker 18 for å gi en korrekt av-lesning av det aktuelle oljenivå.

En egnet cellekonstruksjon er vist i fig. 2. Cellen eller gjennomstrømningsområdet 30 er montert mellom rørtilkoblinger 31, 32 ved hjelp av pakningene 33, 34 og har en åpning for innfallende lys 35 fra laseren og åpninger 36 og 37 henholdsvis for å måle laserens utgangsnivå og nivået på det lys som spres av partikler i væskestrømmen. Ytterligere et hull 28 kan benyttes for tilkopling av en ytterligere lysspredningsdetektor.

En drivkrets for å utstyre laseren til dens pulsede modus er vist i figur 4. Pulsbredden og pulsrepetisjonsfrekvensen blir f.eks. definert av de monostabile kretser Ml og M2, hvor én utgang fra M2 kobles tilbake til Ml. Det andre utgangssignalet fra den monostabile krets M2 føres over en emitterfølger koblet transistor TRI og strømforsterkerne TR2 og TR3 til et effektfor-sterkningstrinn som inneholder ytterligere transistorer TR4 og TR5. Nivået til den utgående strømpuls innstilles av et poten-siometer VR2. Det anbefales å styre laseren under dens maksimale utgangsnivå, for å øke dens levetid og å minske eldingseffektene.

Detektorforsterkeren og tidsstyringskretsen som er vist i fig. 3, omfatter tre vekselstrømskoblede operasjonsforsterkere forsynt med feltemisjonstransistorer. Da den negativt forspente diodestrømmen til inngangsfotodetektoren Dl har en praktisk talt lineær respons til innfallende lys som faller på dens overflate, kan det første trinn arbeide som en strøm-til-spenning omformer. Signalet forsterkes ytterligere av det andre og tredje opera-sjonsforsterkertrinn, som også introduserer en tidskonstant på omtrent ett sekund før signalet føres til et måleinstrument eller til et registreringsutstyr.

Responsen til denne detektoren varierer i avhengighet av hvilken oljetype som er til stede i vannet. Denne virkningen er vist i fig. 5, som viser detektorens reaksjoner på ulike typer råolje.

På grunn av gjennomstrømningen av væske gjennom måleområdet er det ikke nødvendig å tilveiebringe noen form for rensing av vinduene, og dette er særlig tilfelle fordi arrangementet automatisk kompenserer for nærvær av urenheter. I enkelte utførelser kan det likevel være hensiktsmessig å utstyre vinduene med ren-sende vannstråler for å opprettholde en god klarhet. Vinduene er selvsagt utført i et materiale som i er transparent for infrarød stråling, som f.eks. kvarts.

I enkelte anvendelser kan det være fordelaktig å beskytte detektorarrangementet mot overbelastning på grunn av svært store oljemengder i vannet ved hjelp av en ytterligere grovdetektor anbragt oppstrøms og utformet slik at den vil åpne for en shunt ventil når store oljemengder passerer.

Selv om detektoren i henhold til foreliggende oppfinnelse er blitt beskrevet som en gallium aluminium arsenid eller en gallium aluminium fosfid laser, er ikke oppfinnelsen begrenset til bruk av disse typer lasere. Andre halvleder-lasere kan også benyttes forutsatt at materialet har et energibåndgap større enn 0,5 eV.

I andre anvendelser kan en "solid state" laser som arbeider i det synlige området av spekteret benyttes, skjønt infrarød drift er fordelaktig for å minske påvirkningen av suspenderte faste partikler i væskestrømmen.

Claims (1)

1. Apparat for fortløpende, kvantitativ detektering av olje-i-vann, hvilket apparat omfatter -°en målecelle (10) som gjennomstrømmes av væsken som skal undersøkes, - en laser (11) som sender en stråle inn i målecellen (10), - en første detektor (13) som er anbragt på linje med laseren (11) og detekterer den del av laserstrålen som passerer rett gjennom målecellen, - minst en andre detektor ' (14', 15) som er plassert slik at de(n) danner en liten vinkel med laserens (11) innfallsstråle og derved bare detekterer den del av laserstrålen som avbøyes så meget som denne vinkelen tilsier, og - forsterker- (18, 19, 20, 21) og styringskretser (22, 23, 24)

   som behandler signalene som detekteres av detektorene, karakterisert ved at apparatet dessuten omfatter kombinasjon av følgende i og for seg kjente trekk: - de(n) andre detektor(er) (14', 15) er anbragt slik at de(n) danner en spiss vinkel på ca. 20° med den innfallende laserstrålen, - laserstrålen er polarisert når den passerer inn i målecellen, og minst én av de andre detektorer (15) er forsynt med et polariserende filter som er innstilt i laserens polariserings-plan, - laseren er en halvlederlaser som arbeider med en bølgelengde mellom 8500 og 9200 Å, og - forsterkerne og styringskretsene fra de ulike detektorer er sammenkoblet slik at utgangssignalet fra en detektor (15) som er forsynt med et polariserende filter, subtraheres fra utgangssignalet til en detektor (14') som ikke er forsynt med noe slikt filter, mens utgangssignalet fra den første detektor (13) brukes til å styre forsterkningen til en styrbar forsterker (25) som forsterker det differansesignal som fremkommer etter denne subtraksjon.