NO840645L - Anordning for deteksjon og maaling av suspenderte partikler eller opploeste stoffer i fluida - Google Patents

Description

" Anordning for deteksjon og måling av suspenderte partikler eller oppløste stoffer i fluida."

For deteksjon og/eller måling av innhold av suspenderte partikler eller oppløste stoffer i fluida, er det tidligere kjent å bruke sonder basert på lystransmisjon eller -spredning i et volum som omfattes av sonden og som er innrettet til å oppta vedkommende fluidum-prøve. I arrangementet inngår det en lyskilde for lys som sendes inn i fluidum-prøven,

og en lysdetektor for resulterende utgående lys fra fluidum-prøven.

Denne optiske målemetode har mange forskjellige prak-

tiske anvendelser. Forsåvidt angår miljømessige anvendelser kan følgende nevnes: Måling av suspenderte partikler, såvel organiske som uorganiske, samt humus til havs, i kystfarvann og i

ferskvann, elver og innsjøer.

Måling av sikt i vann i forbindelse med undervannsopera-sjoner (dykkerarbeide nær konstruksjoner, ubåter, o.l.). Måling av erosjon på bunnen (langs rørledninger o.l.). Måling av slamtransport i elver.

Måling av oljepartikler i sjøen. Lekkasje bak lenser,

små oljekonsentrasjoner i settlingstanker o.l.

Bestemmelse av humus og slamkonsentrasjoner i drikke-vannskilder, samt automatisk styring av renseprosesser. Lokalisering av forurensningskilder under vann.

Måling av oljekonsentrasjoner i spillvann fra boreplatt-former og oljetankbåter.

Når det gjelder industrielle anvendelser kan følgende nevnes :

Måling av konsentrasjoner i prosessvæsker, eventuelt

med styring av prosessen.

Ved fiskeforedling: Måling av matkonsentrasjoner/turbiditet i bassenger og dammer med automatisk styring av fortilsetning.

Røykvarslere.

Ved kjemisk og biologisk laboratoriearbeide: F.eks.

bestemmelse av konstante konsentrasjoner av tilsettinger, styring og dosering.

Det skal i tilknytning til ovenstående understrekes

at hovedprinsippene for denne oppfinnelse også kan ha andre anvendelser enn dem som er nevnt i form av eksempler ovenfor.

Anordninger eller sonder for deteksjon eller måling

av den her omhandlede art, betegnes også transmisjonsmetre. Slike transmisjonsmetre for måling av konsentrasjonen av suspendert materiale i væsker har vært kjent i lang tid.

Fra de senere år kan det som eksempel nevnes et detekterings-anlegg for å måle oljeinnhold i vann, som beskrevet i norsk patent nr. 147731. Tidligere kjente transmisjonsmetre har anvendt sonde- eller instrumenthus med lyskilde, detektor og eventuelle filtre plassert inne i dette huset. Filtre er nødvendige når det måles på flere bølgelengder av lys-spekteret, for å kunne skille mellom ulike komponenter.

De kjente sonder og instrumentenheter er forholdsvis kompliserte og kostbare på grunn av den nevnte oppbygning. Videre opptrer det et alvorlig problem i forbindelse med kjente metoder til måling av oljekonsentrasjon i vann. Svekningen av det lys som transmitteres gjennom en slik

prøve er direkte proporsjonal med oljekonsentrasjonen i vannet. Imidlertid har dråpestørrelsen av oljekomponenten i vannprøven sterk innvirkning på målingen og beregningen av den absolutte oljekonsentrasjon. Dette er et av de pro-blemer som denne oppfinnelse tar sikte på å løse.

En annen anvendelse som er av spesiell interesse i forbindelse med denne oppfinnelse, er kontinuerlig overvåkning og styring av forkonsentrasjoner i fiskeoppdrettsanlegget.

Vesentlige forbedringer ved deteksjon og måling av

den innledningsvis angitte art, blir ifølge et hovedprin-sipp for oppfinnelsen oppnådd med en anordning hvor lyskilden, respektive lysdetektoren er forbundet med en sender-enhet, respektive en mottagerenhet i sonden, gjennom en fiberoptisk kabel, og hvor lyskilden og lysdetektoren er plassert i avstand fra sonden.

Ved hjelp av denne løsning hvor fiberoptikk er tatt

i bruk, kan selve sonden gjøres enklere, mindre og lettere enn ved tidligere kjente konstruksjoner av transpmisjons-metre . Hele anordningen eller instrumentet blir således mer mobilt enn tilsvarende eksisterende instrumenter.

For laboratorieformål og overvåking av prosesser i industrien kan sender- og mottagerenhetene om ønskelig gjøres svært små og kan festes i rørvegger o.l. En av fordelene med en slik målemetodikk er at man ikke behøver å påvirke fysisk det medium som man skal måle i. Dette er ofte svært ønskelig, ikke minst dersom man har med helsefarlige stoffer å gjøre. I motsetning til tradisjonell prøvetaking, trenger man ved denne målemetode ikke å komme i nærheten av stoffene eller gripe inn i og forstyrre prosesser for å få tatt målingene. Ved bruk av de her angitte fiberoptiske overføringer kan sondene gjøres små og fleksible. Lyskilde og lysbehand-lingsutstyr kan plasseres langt unna sondene. Dette forenkler systemet betraktelig sammenliknet med tilsvarende ikke-fiber-utstyr. Krav til vanntetthet i fiberoverføringene blir f.eks. mindre enn for elektrisk overføring. Sondehusene blir enklere og billigere enn tidligere.

I det følgende skal oppfinnelsen samt ytterligere spesielle trekk og fordeler oppnådd ved hjelp av denne, beskrives nærmere under henvisning til tegningene, hvor: Figur 1 viser den prinsipielle oppbygning av en anordning ifølge oppfinnelsen, omfattende den egentlige sonde

samt signalbehandlings- og datautstyr,

figur 2 viser et arrangement med utnyttelse av anordningen ifølge oppfinnelsen for overvåkning og styring

i fiskeoppdrettsanlegg, og

figur 3 viser en anordning ifølge oppfinnelsen anvendt

for måling av oljekonsentrasjonen i f.eks. vann.

På figur 1 er det vist en sonde 10 som gjennom optiske fibre eller kabler 4 og 5 er forbundet med en kontrollenhet 19 med tilhørende datautstyr 21, 22, 23 og 24.

Fra en lyskilde i kontrollenheten 19 blir det gjennom

en fiberbunt 4 , 4a sendt lys av. ønsket sammensetning til en senderenhet 14 i sonden 1. Senderenheten 14 er montert i et endestykke 1, mens en mottagerenhet 15 er montert i et annet endestykke 2, idet disse to endestykker utgjør vesentlige komponenter i sonden. Mellom de to endestykker er det vist avstandsstenger 3 a og 3 b innrettet til f.eks. ved gjengeforbindelse å festes til endestykkene 1 og 2 ved hver sin ende. På figur 1 er det bare vist to stenger 3a

og 3 b, men det foretrekkes en sammenkobling av endestykkene 1 og 2 ved bruk av tre eller flere slike stenger.

Senderenheten 14 inneholder et linsesystem 14 a som frembringer en tilnærmet kjegleformet lysstrålebunt 12 innrettet til å passere gjennom et volum omgitt av sonden 10, hvor en fluidumprøve kan innføres. Dette volum for prøven er betegnet med henvisningstallet 11 på figur 1. Linse-systemet 14 a sørger for en skarp avbildning på et glassvindu 15 b på en mottagerenhet 15 i det annet endestykke 2. Et linsesystem 15 a i mottagerenheten 15 fokuserer det innfallende lys på enden av en fiberbunt 13 som er ført frem til stangen 3b. Lyset overføres til denne ved en optisk kopling og tilbake til endestykket 1. På dette endestykke er det montert en tilsvarende fiberoptisk koblingsenhet 18 som fører lyset fra mottagerenheten 15 inn i en fiberbunt 5a, 5 som fører det mottatte lys tilbake til kontrollenheten 19 for deteksjon, signalbehandling osv.

Betraktes den viste sonde 10 nærmere, fremgår det at avstandstengene 3 a og 3 b lett kan utskiftes, slik at den innbyrdes avstand mellom de to endestykker 1 og 2 kan endres. Sondens følsomhet vil være proporsjonal med lengden av disse stenger, dvs. lengden av lysveien i den fluidumprøve som befinner seg i volumet mellom senderenhet og mottagerenhet. Hvis f.eks. lysveien i prøven endres fra en lengde på 1

meter til en lengde på 10 cm, vil følsomheten endres med en faktor på 10. I praksis kan man arbeide med standardlengder på avstandstengene, så som 0,1 - 0,25 - 0,5 og 1

meter stanglengde. Hele anordningen må da kalibreres for disse standardlengder. Linsesystemene 14 a og 15 a i sender-henholdsvis mottagerenheten 14 og 15 kan lett justeres for å gi riktig fokusering ved ulike valg av stanglengder.

Avhengig av behov eller anvendelse kan lyskilden i kontrollenheten være en diode eller en halogenlampe, eller eventuelt en annen type lyskilde. En halogenlampe vil gi hvitt lys som på mottagersiden i kontrollenheten 19 kan spaltes opp i forskjellige bølgelengder som behandles eller registreres, f.eks. logges, i hovedsaken samtidig. Dette muliggjør f.eks. samtidig profilering på flere bølgelengder av den anvendte lysbunt, ved målinger f.eks. på sjøvann.

Dette er en betydelig fordel ved anordningen ifølge oppfinnelsen, sammenlignet med hva som er oppnåelig med tidligere kjente instrumenter og metoder. Ved hjelp av oppfinnelsen er det mulig å se på hurtige fluktasjoner og videre anslå partikkelstørrelser (diameter) ved partikler med dimensjoner som ligger forholdsvis nær lysets bølgelengde.

I kontrollenheten 19 spaltes det innkommende lys gjennom fiberbunten 5 opp i et antall bølgelengder ved hjelp av en kombinasjon av speil, filtre og fotoceller på i og for seg kjent måte. De resulterende elektriske signaler kan gjennom en analog/digital-omformer overføres til en data-

maskin 21 hvor resultatene kan analyseres. Målte og beregnede verdier kan så skrives ut på en skriver 24 eller tegnes ut på en plotter 22. Det er også mulig å koble og programmere datamaskinen 21 slik at den er i stand til å styre operasjoner i forskjellige produksjonsprosesser etc.

Figur 2 viser en interessant anvendelse av oppfinnelsen, nemlig til kontinuerlig overvåkning og styring av fSrkon-sentrasjoner i fiskeoppdrettsanlegget. Slike anlegg omfatter vanligvis et antall kummer for fisk, og figur 2 viser skjematisk en enkelt slik kum 30. Denne er vist som en tilnærmet sirkulær innhegning eller sperring. Rundt denne på utsiden er det vist fire sonder 31, 32, 33 og 34. Sentralt inne i kummen 30 er det plassert en ytterligere sonde 35. Som antydet kan disse sonder være opphengt slik at de har en vertikal orientering i vannet. Endelig er det vist en sonde 36 som er plassert under kummen 30 og orientert tilnærmet horisontalt. Dermed kan denne sonde gi et godt mål for konsentrasjonen av for og andre stoffer som måtte synke fra kummen.

På figur 2 er det også vist forbindelsesledninger eller

-kabler som fra alle de viste sonder fører til en kontrollenhet 39. Sondene og kontrollenheten kan være av tilsvarende oppbygning og virkemåte som i anordningen på figur 1. Kontrollenheten

39 kan likeledes være koblet til en datamaskin eller en styrings-sentral 38 som besørger den nødvendige analyse av målingene fra de enkelte sonder og videre tar hånd om dataregistrering eller -logging og styring av anlegget ut fra oppstilte kriterier. På grunnlag av disse blir det så avgitt styringssignaler eller kom-mandoer til et foringsanlegg 40 som gjennom en utmatningsenhet antydet ved 50, foretar den ønskede fSrtilsetning til kummen 30.

Med dette arrangement kan de seks sonder 31-36 kontinuerlig registrere turbiditeten i vannet, dvs. konsentrasjonen av f6r i og nær kummen 30. Målepunktene, dvs. sondene, plasseres i og utenfor kummen på en slik måte at man ved å betrakte

differansen i målt turbiditet inne i og utenfor kummen,

får et mest mulig representativt uttrykk for den mengde for som fisken opptar. Avhengig av dette foropptak kan man så bestemme mengden av for som skal tilsettes i anlegget. Med slik måling og styring blir det mulig å redusere forings-utgiftene betydelig i fiskeoppdrettsanlegg.

Måle- og styringssystemet kan eventuelt suppleres med strøm-,temperatur- og saltholdighetsmålere slik at disse bakgrunnsdata kan tas i betraktning sammen med de målte turbiditetsverdier. Alle de målte data kan registreres og behandles i en og samme datamaskin 38 i styringssentralen og kan samlet være med på å optimalisere foringen.

Det er klart at ved anvendelse av en sondeanordning ifølge oppfinnelsen blir det oppnådd et fordelaktig enkelt utstyr til måling av konsentrasjonen av oppløst og suspendert materiale i form av fortilsetninger i et anlegg som vist på figur 2, for styring og overvåkning av foringsprosessen ved fiskeoppdrett.

Det benyttes optiske fiberkabler 37 til overføring

av lyssignalene fra de enkelte sonder 31 - 36 og samlet frem til kontrollenheten 39. Denne kontrollenhet er innrettet til å sende hvitt lys til sondene og til å motta hvitt lys fra disse. Det mottatte hvite lys som er trans-mittert gjennom prøvevolumer av vann ved de forskjellige sonder, blir automatisk logget i datamaskinen 38 etter opp-spalting i ulike bølgelengdeintervaller ved hjelp av kontrollenheten 39. Forholdet mellom signalene fra de ulike bølge-lengdeområder bestemmes ved analyse som omtalt foran.

Det blir oppnådd betydelige forenklinger ved å benytte fiberoptikk ved sonder eller transmisjonsmetre som plasseres i vann, f.eks. sjøvann for fiskeoppdrett, med sikte på å måle og registrere lys på forskjellige bølgelenger.

Som nevnt innledningsvis er det en aktuell anvendelse

av oppfinnelsen å overvåke oljekonsentrasjoner i vann, f.eks. ved kontinuerlig overvåkning av utslipp fra tankanlegg, tankbåter o.l. Dette kan gjøres ved å ta ut prøver av slikt avløpsvann fra et utslippsrør. På figur 3 er det skjematisk vist et slikt utslippsrør 70 som rundt omkretsen har tre uttaksåpninger 71 a, 72 a og 73 a for de ønskede prøver. Disse føres gjennom passende ledninger 71, 72 og

73 til respektive innløp 62a, 62b og 62c i en sondeenhet

60 som skal beskrives nærmere i det følgende. Etter å ha gått gjennom sondeenheten 60 blir fluidum- eller vannprøven samlet i en ledning 75 og ført tilbake til en innførings-åpning i utslippsrøret 70. De tre uttak 71a, 72a og 73a i dette rør er plassert på tre steder eller nivåer i rørtverr-snittet for å oppnå en mest mulig representativ samlet prøve.

Sondeenheten 60 er oppdelt i to seksjoner eller kamre, nemlig et forkammer 60a, og det egentlige prøvekammer 60b. Mellom de to kamre kan det være en skillevegg 64 forsynt med et antall åpninger 6 5 som virker turbulensreduserende, eller det kan være en helt fri, full passasje mellom kamrene 60a og 60b.

I forkammeret 60a vil det til enhver tid være tilstede

et vannvolum 63 som tilføres gjennom innløpene 62a,_62b og 62c. I kammeret 60a er det anordnet en rotor eller en agita-tor 66 drevet av en motor 6 7 for å bevirke en kraftig mekanisk dispergering av de innløpende vannstrømmer. Væskebevegelsen holdes turbulent slik at innholdet av olje i vannet blir homo-gent fordelt. I strømningsretningen mot høyre i sonden som vist på figur 3, følger så prøvekammeret 60b hvor den optiske transmisjonsmåling blir foretatt. Det er anordnet to par sendeenheter og mottagerenheter, nemlig et første par 85 - 86 og et annet par 87 - 88. Disse er plassert i kammer-veggen slik at strålegangen for det anvendte lys blir i det vesentlige diametral gjennom prøvevolumet. Strålegangen mellom sender/mottager-paret 87- 88 er betegnet med 89.

Denne kan anses å ligge i papirplanet på figur 3. Strålegangen mellom enhetene 85 og 86 er orientert vinkelrett på strålegangen 89, det vil si vinkelrett på papirplanet. Disse to målestråler er innbyrdes forskjøvet i sondens akse- eller lengderetning. Denne avstand i lengderetningen innebærer at forstyrrelser av spredt lys fra det ene målesystem skal ikke kunne influere på det annet. Med en slik orientering av de to målesystemer blir det også mulig å kompensere for eventuelle brytningsfenomener, f.eks. som følge av at kammeret ikke hele tiden er helt fylt med vann. Middelverdien av målingene i de to målesystemer blir lagt til grunn for den videre registrering og signalbehandling.

Som i de to foregående utførelser er det også her en kontrollenhet 69 som gjennom de viste fiberoptiske forbind-elser eller kabler 81, 82, 83 og 84 er forbundet med de respektive sender- og mottagerenheter som nettopp beskrevet. Det kan hensiktsmessig anvendes hvitt lys som ved retur

til kontrollenheten 69 blir spaltet opp i ulike bølgelengder ved hjelp av optiske speil e.l.

For måling av oljekonsentrasjon i vann og lignende anvendelser er det en vesentlig fordel med sondeanordningen ifølge oppfinnelsen at den som i foreliggende utførelse, kombineres med en innretning for kraftig mekanisk dispergering av vannet eller væsken før selve målingen. Dermed blir oljen splittet opp i dråper med tilnærmet homogen størrelses-fordeling slik at den målte lyssvekking i de to målesystemer blir proporsjonal med oljekonsentrasjonen.

Signalbehandlingen i kontrollenheten 69 er i prinsippet av en tilsvarende art som i kontrollenhetene på figurene 1 og 2, og disse signaler, f.eks. på ulike bølgelenger, behandles umiddelbart i en datamaskin 91 som bestemmer, eventuelt registrerer, logger eller skriver ut størrelses-fordelingen av oljepartiklene og innholdet av de forskjellige komponenter i den vannstrøm eller væske som overvåkes, f.eks. spillvann eller annet utslipp.

For å forebygge at de vinduer som inngår i målesystemene blir tilgriset av olje, kan sonden gjennomspyles med rent vann eller en rensevæske med jevne mellomrom, avhengig av oljemengdene i spillvannet. Ved gjennomspyling med rent vann kan det samtidig foretas en kalibrering av hele måle-anordningen.

Målingene kan skje kontinuerlig som en overvåkning

over lengre perioder, med sikte bl.a. på registrering av kortvarig utslipp av olje eller lignende. På tankbåter kan anordningen tjene nærmest som en ferdsskriver med hensyn til oljeutslipp, og videre kan anordningen automaisk styre lukking av ventiler for renset avløpsvann når oljekonsentra-sjonene blir for høye. Det samme kan være tilfelle ved tankanlegg på land.

Som tidligere i og for seg kjent kan også den her beskrevne sondeanordning være basert såvel på svekning av det gjennomgående lys (lystransmisjon) :som på spredning av slikt lys (avbøyning) i fluidumprøven. I stedet for hvitt lys kan det i visse anvendelser være en fordel å anvende spesielle spektralkomponenter i det lys som blir avgitt fra kontrollenheten til senderen eller senderne i sonden.

Claims (13)

1. Anordning for deteksjon og måling av suspenderte partikler eller oppløste stoffer i fluida, basert på lystransmisjon eller lysspredning i et volum (11, 68) som omfattes av en sonde (10, 60) og som er innrettet til å oppta prøver av fluida, omfattende en lyskilde for lys (12, 89) som sendes inn i fluidum-prøven, og en lysdetektor for resulterende utgående lys fra fluidumprøven, karakterisert ved at lyskilden resp. lysdetektoren er forbundet med en sender-enhet (14, 87) resp. en mottager-enhet (15, 88) i sonden (10, 60) gjennom en fiberoptisk kabel (4, 5, 84,

83), og at lyskilden og lysdetektoren er plassert i avstand fra sonden.

2. Anordning iflg. krav 1 karakterisert ved at sonden (10) omfatter to endestykker (1, 2) som fikseres i forhold til hverandre ved hjelp av utskiftbare avstandselementer (3 a, 3b) og at senderenheten (14) og mottagerenheten (15) er montert i hvert sitt endestykke (1. 2).

3. Anordning iflg. krav 2, karakterisert ved at et av avstandselementene (3 b) har en gjennomgående passasje for en fiberoptisk kabel (17) som tjener til å overføre lys fra sender- eller mottager-enheten i det ene endestykke (2) til det andre (1), og at den fiberoptiske kabel (4, 5) til lyskilden og lysdetektoren er tilkoblet sonden ved det sistnevnte endestykke (1).

4. Anordning iflg. krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at lyskilden og lysdetektoren sammen med eventuelle andre komponenter for signalbehandling, f.eks. optiske filtre, inngår i en kontrollenhet (19, 39, 69) for sonden (10, 69), eventuelt for flere sonder (31 - 35).

5. Anordning iflg. krav 4, karakterisert ved at kontrollenheten (19, 39, 69) er forbundet med en datamaskin (21, 38, 91) for analyse og registrering av målesignaler fra kontrollenheten og eventuelt for regulering og styring av anlegg (40) eller prosesser.

6. Anordning iflg. et av kravene 1-5, beregnet for overvåkning, eventuelt styring av fiskeoppdrettsanlegg omfattende minst en kum (30) for fisk, karakterisert ved at et antall sonder (31-34) er plassert umiddelbart utenfor kummen og fordelt rundt denne, og at i det minste én sonde (35) er plassert inne i kummen (30), fortrinnsvis sentralt i denne.

7. Anordning ifølge krav 6, karakterisert ved at et flertall av sondene (31-35) er opphengt i festepunkter over vannflaten og slik at lysbunten mellom senderenhet og mottager-enhet forløper i det vesentlige vertikalt.

8. Anordning ifølge krav 6 eller 7, karakterisert ved at i det minste én sonde (36) er anbragt under kummen (30) med i det vesentlige horisontalt forløpende lysbunt.

9. Anordning ifølge krav 1, 4 eller 5, beregnet for overvåkning av prøver som avledes fra en fluidum-mengde eller fluidum-strøm, idet sonden (60) omfatter et lukket kammer (60a, 60b) som fluidumprøvene føres gjennom, karakterisert ved at det oppstrøms for sender/mottager-enhetene (85, 86, 87, 88) i sonden (60) er anordnet en agiteringsinnretning (66, 67) innrettet til å bevirke en kraftig dispergering av eventuelle forurensende stoffer eller partikler i fluidumprøven, f.eks. homogenisering av oljedråpestørrelsen ved måling av oljekonsentrasjon i vann.

10. Anordning ifølge krav 9, karakterisert ved at sonden (60) omfatter et forkammer (60a) oppstrø ms for det egentlige målekammer (60b), og at det mellom de to kamre er anordnet en skillevegg (64) med et flertall gjennomstrømnings-åpninger (65) for fluidumprøven.

11. Anordning ifølge krav 9 eller 10, karakterisert ved at agitatorinnretningen består av en motordrevet rotor (66) , hvor motoren (6 7) sitter på utsiden av forkammeret (60a) og er forbundet med rotoren (66) gjennom en mekanisk overføring.

12. Anordning ifølge krav 10 eller 11, karakterisert ved at to eller flere fluidumprøve-strømninger (71, 72, 73) føres hver for seg til innløpsåpninger (62a, 62b, 62c) i forkammeret (60a).

13. Anordning ifølge et av kravene 8-12, karakterisert ved at sonden (60) omfatter to sett sender/mottagerenheter (85/86, 87/88) hvor lysbuntene (89) forlø per hovedsake-lig diametralt og på tvers av strømningsretningen gjennom sonden samt innbyrdes i det vesentlige vinkelrett på hverandre og med innbyrdes forskyvning i strømningsretningen.