NO174866B - Spredecelle for fluidum - Google Patents

Abstract

Spredecelle (6) for detektering av f.eks. suspenderte partikler i en fluidumstrm, hvor det gjøres bruk av minst én lyskilde (31 som sender en lysstråle inn i et fluidumvolum, og hvor forekommende partikler i fluidumet sprer lyset som mottas ved flere utfallsvinduer (4, 5, 6) eller detektorer (8, 9, 10) anbragt ved flere ulike steder i spredecellen, f.eks. ved ulike vinkelposisjoner. Spredecellen er forsynt med mikro-prosessorutstyr (14) for å beregne parametre i fluidumet som passerer gjennom cellen. Ved en utførelse med flere lyskilder og flere utgangsvinduer ved ulike vinkler kan flere parametre kalkuleres samtidig i "on-line" utførelse, f.eks. kan fluidumets strømnings-hastighet, partikkelkonsentrasjonen og farge vurderes samtidig.

Description

Foreliggende oppfinnelse angår spredecelle med rom for en fluidummengde som skal undersøkes, som angitt i innledningen til krav 1.

I britisk patent nr. 1 588 862 er det vist en spredecelle for bruk for detektering av faste partikler slik som av rust, samt for detektering av flytende partikler slik som oljedråper i vann. En slik spredecelle ble utviklet for overvåkning av oljeinnhold i vann i skipsballaster, i bunnvann eller i lensevann fra skip, men det kan også benyttes i systemer for å detektere konsentrasjonen av en eller flere oljetyper suspendert i vann som beskrevet i tysk søknad DOS nr. 3 212 734.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det tilveiebrakt en spredecelle av innledningsvis nevnte art hvis karakteristiske trekk fremgår av krav 1. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av de øvrige uselvstendige kravene.

For å gi en klar forståelse av foreliggende oppfinnelse vises til nedenstående beskrivelse av utførelseseksempler og til de ledsagende tegninger, hvor: Fig. 1 på noe skjematisk måte viser en enkeltkilde flervinklet spredecelle. Fig. 2 viser, også noe skjematisk, en utførelse av en

flerkilde flervinklet spredecelle.

Fig. 3 viser, også noe skjematisk, en ytterligere utførelse

av en flerkilde, flervinklet spredecelle.

Fig. 4 viser et skjematisk blokkdiagram for kretser i

forbindelse med sensorene i henhold til figurene 1-3.

Fig. 5 viser detektering under bruk av en fiberoptisk rekke.

I fig. 1 omfatter den flervinklede spredecellen 1 en innkapsling 2, gjennom hvilken et fluidum som skal avføles, f.eks. vann som medfører suspendert materiale, flyter, og innkapslingen er forsynt med et inngangsvindu 3 for innfallende lys og flere utgangsvinduer 4, 5, 6 for mottakelse av lys som blir spredd av det suspenderte materiale. Den innfallende lysstrålen kan frembringes ved hjelp av en infrarød faststoff-laser (ikke vist) eller an lysemitterende diode (LED) eller andre lyskilder. En avskjerming 7 er montert ved siden av vinduet 3 for å sikre at bare spredd lys når vinduene 4, 5 og 6. I enkelte utførelser kan avskjermin-gen være montert vinkelrett på den innfallende lysstrålen. Mens celleinnkapslingen 2, som er vist på figuren, er sirkulær i tverrsnitt, kan firkantede eller rektangulære celler alternativt benyttes.

Spredd lys som når fram til vinduene 4, 5, 6 mates til de respektive fotodetektorer 8, 9, 10 som kan monteres ved vinduene eller som vist, i avstand fra vinduene, men tilkoblet disse optisk ved hjelp av optiske fibre 11. Med fordel kan spredecellen omfatte et ytterligere utgangsvindu 12 og en assosiert detektor (ikke vist). Her kan intensiteten til den innfallende strålen overvåkes og benyttes f.eks. til automatisk forsterkningsstyring. Dette er vist ved element 13, og drivstrømmen til den innfallende lysstrålekilde (transmitter) reguleres for å kompensere for forandringer i intensiteten til den innfallende lysstrålen. Utgangene fra fotodetektorene 8, 9, 10 kobles til (mottaker) elektronisk utstyr, f.eks. en mikroprosessor 14, som f.eks. er programmert til å beregne konsentrasjonsnivået av det suspenderte materiale fra de absolutte og de relative verdier av fotodetektorenes utganger. Dette er mulig fordi spredningen av lyset til bestemte vinkler fra det suspenderte materialet, som f.eks. kan være oljedråper og/eller rust, er en funksjon av konsentrasjonen av disse partiklene og partiklenes størrelse. Generelt sett vil mindre partikler spre lyset ut til større vinkler enn store partikler. Lysintensiteten kan derfor måles ved flere spredevinkler og signalstyrkene kalkuleres slik at den relative partikkelkonsentrasjon kan fastlegges. Derfor er en "on-line" diskriminering mulig ved "bruk av detektering ved flere vinkelutslag forutsatt at partikkelstørrelsene eller brytningsindeksene til bestand-delene i strømmen er tilstrekkelig forskjellig.

Særlig kan, ved bruk av en rektangulær celle, men ikke utelukkende da, mottakerelektronikken være utformet slik at detektorene som f.eks. omfatter faststoffdetektorer, og deres tilforordnede forforsterkere kan være montert på et første flatt mønsterkort montert direkte på cellen. På det samme mønsterkort kan også mikroprosessoren 14, lyskilden og den automatiske forsterkningsstyringen 13, samt andre nødvendige elementer for å frembringe et intelligent avfølingshode som kan innebygges i en "on-line" strømningslinje f.eks., og med utganger som kan tilkobles fremvisningsskjermer eller styringselementer etter behov.

Mens spredecellene og detekteringssystemet som er beskrevet i britisk patent nr. 1 588 862 og i den tyske DOS 3 212 734 ble utviklet for overvåkning av olje og særlig slike partikkel-forurensninger som rust eller slagg i vann, kan slik spredeceller og detekteringssystemer alternativt benyttes i forbindelse med et hvilket som helst strømningssystem, gjennom hvilket relativt gjennomsiktige væsker eller fluidumer overføres, og p.g.a. den hurtige responsen som fås fra cellene og systemet, er oppfinnelsen godt egnet for "on-line" bruk i mange strømningssystemer. Relativt gjennomsiktige eller gjennomskinnelige væsker eller fluidumer er viktige for at lyset skal kunne sendes gjennom en slik "on-line" celle.

"Vi har nå funnet at en spredecelle som er enda bedre egnet i mange industrielle strømningssystemer fås dersom mer enn en lysstråle benyttes sammen med et egnet antall detektorer. Bruken av mer enn en lyskilde gjør det mulig å overvåke flere

parametere i fluidumstrømmen samtidig. En slik multilyskilde spredecelle er vist skjematisk i fig. 2. Den inneholder to lyskilder eller vinduer for disse, 15 og 16, en rekke detektorer eller vinduer for disse, 17, 18, 19 og 20, sammen med en egnet avskjerming 21 for å hindre at lys som ikke er spredd når fram til detektorene eller vinduene. En alternativ form på en slik flerlyskilde spredecelle er vist i fig. 3. I dette arrangementet er det derfor plassert to lyskilder eller vinduer, 22 og 23, aksielt i en avstand "d" langs cellens innkapsling 23, og strømmen gjennom denne er vist med pilen A. Hver lyskilde eller hvert vindu har et tilsvarende sett detektorer eller vinduer 24, 25 og 26, 27, som ligger i samme plan. Avstand mellom lyskildene langs cellens lengde er nødvendig for enkelte typer optiske systemer, f.eks. for å fastlegge strømningshastigheter. Optiske metoder for å bestemme strømningshastigheter omfatter bruk av vandretiden, kraftspektra eller krysskorrelasjon. Eksempler på metoder som gjør bruk av lysstråler for å fastlegge strømningshastigheter er gitt i britisk patentsøknad nr. 8206028 og 8206031. I søknad nr. 8206028 fastlegges hastigheten til et fluidum som flyter i et rør ved beregninger av fasevinkeldifferansen for forskjellige frekvensverdier mellom to romlig adskilte (i strømretningen) optiske signaler som sendes gjennom fluidumet. Helningen på fasevinkelkurven relateres til over-føringstiden av en bestemt forstyrrelse i strømmen mellom de to optiske signalene, og således fås strømningshastigheten. Elektronikken som skal utføre beregningene av strømnings-hastigheten kan omfatte en mikroprosessor og en hurtig Fourier transformering. I søknad nr. 8206031 gjøres bruk at det forhold at et lysstrålesignal moduleres ved passasje gjennom en fluidumstrøm, som f.eks. en fluidumstrøm gjennom et rør. Ved å detektere det modulerte signalet og la det gjennomløpe en hurtig Fourier transformering fås et kraft-spektrum. Strømningshastigheten v kan beregnes fra et uttrykk som v = Kf c, hvor K er en konstant og fc er "cut-off" frekvensen til det første minimum i kraftspektrumet.

Hvis to eller flere kilder i en flerkilde og flervinklet spredecelle hver gjør bruk av inngangslys med forskjellig bølgelengde, vil en fargemåling kunne oppnås for fluidumet. Således vil en enkelt sensor med en slik flerkilde og flervinklet spredecelle og en mikroprosessor, samt andre egnede elektroniske kretser tillate samtidig måling "on-line" av en fluidumstrøm hva angår f.eks. partikkelkonsentrasjon, farge- og strømningshastighet, siden mikroprosessoren vil tillate gjennomføring av flere kalkulasjoner.

I en slik sensor som primært er nødvendig for å måle turbulens eller farge, vil strømningshastighetsmålinger kunne benyttes for å gi en enkel alarm for strøm-"på" eller strøm-"av". Forandringer i strømningshastigheten kan forårsake endringer i tilsynelatende spredningsmålinger, kompensasjon kan imidlertid utføres automatisk ved målehode med kombinert strømnings- og konsentrasjonsmåling.

Da måling av partikkelstørrelsen i °n-line" er mulig med to eller tre vinkelmålere, kan området for partikkelstørrelse observeres og alarm gis. Dette kan f.eks. benyttes i forbindelse med hydrauliske væsker eller brenseloljer. I særdeleshet kan mørkning når kvaliteten til en olje redu-seres, bli indikert, eller plutselige tilsynekomster av store partikler ved feil i filteret kan utløse en alarm.

De elektroniske kretser som benyttes i forbindelse med en flerkilde flervinklet spredecelle kan hovedsakelig bestemmes av typen målinger og kalkulasjoner som kreves, det vil imidlertid være hovedsakelig de samme som vist i britisk patentsøknad nr. 8206027, bortsett fra at de ekstra lyskildene og detektorene vil kreve tilsvarende kretsutstyr og egnet beregningsutstyr for de aktuelle strømningskalkula-sjoner. Med mikroprosessorer kan hurtige Fourier-transforma-sjoner og krysskorrelasjoner utføres av komponenter som tar relativt lite volum og således kan monteres i en spredecelle for å gi en "on-line" intelligent sensor.

En mulig form på elektronisk utstyr for bruk med en flerkilde. flervinklet spredecelle er vist skjematisk i fig. 4 og bruker digital prosesseringsteknikk. Forbundet med hver lyskilde Sl, S2 befinner det seg tre detektorer D^, D^2, D^3, henholdsvis D2I, Dg2, 1^3. Utgangene fra detektorene D^l, D^2, D^3 føres til de respektive prøvetaknings/holdekretser 30, 31, 32 via de respektive forsterkere Al, A2, A3. Utgangen fra detektorene Dgl, T>22 > D23 blir ført til de respektive prøvetagnings/holdekretser 33, 34, 35 over de respektive forsterkere A4, A5, A6. Utgangene fra detektorene D^l og D2I, som er tilforbrdnet de direkte stråleveier gjennom cellen, føres tilbake til de respektive drivkretser LD1 og LD2 for å gi automatisk forsterkningsstyring ved tilbakekoblingssløyfer for å kompensere for både elding og andre endringer i lyskildene, og således gi kontinuerlig kalibrering på automatisk måte for detektorarrangementet. Utgangene fra prøvetaknings- og holdekretsene 30, 31, 32 og en utgang fra drivkrets LD1 føres til en analog/digital omformer 36, mens utgangene fra prøvetaknings- og holdekretsene 33, 34, 35 og en utgang fra drivkretsen LD2 føres til en analog/digital omformer 37. Omformerutgangene føres til en egnet programmert mikroprosessor 38, som omfatter de nødvendige hurtige Fourier-transformerings- og krysskorreleringsbrikker, hvis utganger kan føres til fremvisningselementer og/eller styringselementer etter behov.

Teknikken med gjennomføringen av optiske målinger kan gi svært stabile måleresultater i vanskelige omgivelser slik som strømningsmålinger og turbulensstudier. For eksempel kan en optisk probe undersøke mindre volumer i en strømningsprofil enn ultrasoniske sonder er i stand til, og derved vil båndbredden for de tilgjengelige informasjoner for behandling av måleresultater være større. De samme "on-line" spredeceller kan således benyttes for å måle kontinuerlig og i parallell (a) strømningshastighet (b) konsentrasjonen i sammensetningen og tre faser (f.eks. olje, vann, rust) og (c) strømningsprofil. Energispektrumanalyser, algoritmer og styringsfunksjoner kan alle inneholdes i logiske behandlings-brikker (mikroprosessorer).

Spesielle anvendelser hvor en slik "on-line" intelligent sensor ville være fordelaktig, omfatter overvåkning av kjelekondensat (olje), overvåkning av rent vann i halv-lederindustrien, rene rom, disketter, elektronikk, data-teknologi, intravenøs væskeovervåkning, overvåkning av saltløsninger i medisinsk bruk, overvåkning av bunnfall (f.eks. ved raffinerier og kraftstasjoner), styringsutgang for hydrosykloner (f.eks. kan oljekonsentrasjonsmålinger benyttes til å styre utgangsåpningens størrelse fra en hydrosyklon. Graden av separasjon kan avhenge av partik-kelstørrelsen på oljedråpene. Utgangsåpningen kan strupes eller åpnes basert på spredecelleutgangen, dvs. sensoren benyttes til å overvåke og styre), kjemisk industri og næringsindustrier, overvåkning av vann i olje og brensler, samt overvåkning av vann i gasstrømmer.

Sensoren kan benyttes for overvåkning av faststoffpartikler i gasser og særlig for å detektere overflødig salt i strømmer av gasser for å identifisere situasjoner hvor saltet sannsynligvis vil krystalliseres ut og påvirke målingene av gasstrømmen gjennom en tverrsnittssone. Det er et behov for å detektere vann i naturlige gasstrømmer, typisk ved nivåer på 65 lb pr. mmcf til en nøyaktighet på 6,5 lb/mmcf, dette kan oppnås ved bruk av en intelligent sensor i henhold til foreliggende oppfinnelse. Ved å benytte sensoren til å detektere endringer i partikkelstørrelsen i en strøm av hydraulisk olje er det tilveiebrakt utstyr for å identifisere det punkt ved hvilket øket systemslitasje finner sted. Ved lignende anvendelse i oljen til maskiner innen luftfart, kan den benyttes til å detektere forventede maskinsvikt. Ved overvåkning av vann i gass kan kondensasjonskorrosjon og andre effekter minimaliseres. Partikler i gasstrømmer kan detekteres, noe som f.eks. kan være nyttig ved brønnbehand-ling. Sensoren er i stand til å detektere lave nivåer av faststoffer i vann, og det kan være viktig for vannfor-syninger i halvlederproduksjonsanlegg.

Sensorene som er beskrevet ovenfor, gjør bare bruk av et lite antall diskrete detektorer eller detektorvinduer som er anbrakt langs celleinnkapslingen. Alternativt vil imidlertid en hel rekke av fiberoptiske detektorer kunne anbringes rundt målecellen. I tillegg til at det vil forbedre oppløsningen i måleresultatene vil dette gjøre det mulig å tilveiebringe tilleggsinformasjon og overvinne ulempene med de relativt store fysiske dimensjoner på pakkede silikondetektorer og vanskeligheten ved å montere disse tett sammen. Typisk kan optiske fibre ha en ytre diameter på 200 mikrometer, og de kan anbringes i avstand omkring cellen som f.eks. vist i fig. 5 i en leselederrekke 40 sammen med en detektor 41 og avsøkningssystem 42. Dette muliggjør kontinuerlig måling av partikkelstørrelser i "on-line" med automatisk utlesning og over spredeprofiler både forover og bakover.

Spredecellene og sensorer som inngår i disse, er særlig fordelaktig for kontinuerlig overvåkning "on-line" i industrianlegg og styringsanvendelser, på grunn av at cellene er svært robuste uten bevegelige deler og har stor nøyaktig-het og kan skjelne mellom ulike stoffer. De tillater overvåkning av konsentrasjonen av partikler og forandringer som foregår i prosesslinjen og er anvendbare innenfor et stort område av konsentrasjoner, f.eks. fra 0 til 2 ppm (± 0,1 ppm), som f.eks. ved overvåkning av vann for halvlederproses-ser, til 0 til 3000 ppm i lensevann fra ballasttanker eller opp til 4000 ppm i svært tette strømninger som i en hydrosyklon.

Claims (7)

1. Spredecelle (1) med rom for en fluidummengde som skal "undersøkes, for eksempel for sitt innhold av suspenderte partikler, der undersøkelsen utføres ved at lys sendes inn i spredecellen fra inngangsvinduer i en innkapsling (2) og der lys som spres fra eventuelle partikler i fluidummengden inne i spredecellen detekteres ved utgangsvinduer i innkapslingen, karakterisert ved at innkapslingen (2) har minst to inngangsvinduer (15-16, 22-23) med minst to utgangsvinduer (17-20, 24-27) for hvert inngangsvindu, at det første inngangsvindu (15, 22) og minst to tilhørende utgangsvinduer (17-18, 24-25) er anbragt langs omkretsen til innkapslingen i et første plan vinkelrett på strømnings-retningen (A), og at det andre inngangsvindu (16, 23) og dets tilhørende utgangsvinduer (19-20, 26-27) er anbrakt langs omkretsen til innkapslingen i et andre plan, også vinkelrett på strømningsretningen, idet de to planene enten er sammen-fallende eller ligger etter hverandre i strømningsretningen.

2. Spredecelle som angitt i krav 1, karakterisert ved at utgangsvinduene inneholder detekteringsutstyr eller er forbundet med detekteringsutstyr (41) via flere optiske fibre i en lyslederrekke (40) anbragt omkring innkapslingen (2).

3. Spredecelle som angitt i et av kravene 1-2, karakterisert ved at den innbefatter mikroproses-sorutstyr (38) for kalkulering av parametere i et fluidum som passerer gjennom spredecellen og dens sensorer.

4. Spredecelle som angitt i et av kravene 1-3, karakterisert ved at utgangsvinduene med sine detektorer befinner seg på ulike vinkelområder.

5 . Spredecelle som angitt i krav 4, karakterisert ved at den omfatter én eneste lyskilde, mens utgangs-signalene fra spredecellen utledes fra lys som spres til utgangsvinduene i cellen som er forbundet med detekteringsutstyr (41) via optiske fibre i en lyslederrekke (40).

6. Spredecelle som angitt i krav 4, karakterisert ved at den omfatter to eller flere lyskilder, og at lyset fra disse spres til ulike grupper av utgangsvinduer som er forbundet med detekteringsutstyr (41) via optiske fibre i en lyslederrekke (40).

7. Spredecelle som angitt i krav 6, karakterisert ved at lyskildene sender ut lys med ulik bølgelengde.