SE0900956A1 - Anordning för mätning av koncentration och egenskaper hos partiklar i en fluid samt en metod därav - Google Patents

Description

känd teknik leds en laserpuls med lågt energiinnehåll genom materialet vilket skapar tre fotoakustiska signaler som mottas av en absorbent och detekteras av en detektor.

Absorptionskoefficienten och den reducerade spridningskoefficienten kan deduceras genom att avståndet mellan absorbenten och den infallande laserstrålen varieras.

Kortfattad beskrivning av uppfmningen Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en altemativ lösning på problemet med att mäta koncentrationen av partiklar i en fluid, såsom suspension av pappersmassa. Ett armat ändamål med uppfinningen är att tillhandahålla en lösning på problemet med att bestämma de fysikaliska egenskaperna hos partiklar i fluiden. Ett ytterligare ändamål med uppfinningen är att tillhandahålla en lösning som är enkel och snabb så att den kan användas on-line och i realtidsapplikationer.

Enligt en aspekt av uppfinningen uppnås ändamålen med en anordning för mätning av koncentration och egenskaper hos partiklar i en fluid. Nämnda anordning innefattar: en ljusenhet anordnad att tillhandahålla en första ljuspuls in i en mätcell innehållande nämnda fluidyoch en absorbent anordnad i anslutning till nämnda mätcell och ansluten till en mätenhet, varvid nämnda mätenhet är anordnad att mäta signaler som når nämnda absorbent.

Nämnda anordning innefattar vidare en sernitransparent absorbent genom vilken nämnda första ljuspuls passerar när den går in i nämnda mätcell så att nänmda första ljuspuls delas upp i en fotoakustisk ljudvåg och en andra ljuspuls vilka kommer att propagera genom nämnda fluid i en riktning där nämnda absorbent är anordnad så att de når nänmda absorbent.

Olika utföringsformer av anordningen ovan beskrivs i de osj älvständiga patentkraven 2-11.

Enligt en annan aspekt av uppfinningen uppnås även ändamâlen med en metod för mätning av koncentration och egenskaper hos partiklar i en fluid. Nämnda metod innefattar stegen: tillhandahållande av en första ljuspuls genom en semitransparent absorbent in i nänmda fluid i en mätcell så att nämnda första lj uspuls delas upp i en fotoakustisk ljudvåg och en andra ljuspuls vilka kommer att propagera genom nänmda fluid; mätande av ett första akustiskt eko som genereras när nämnda andra ljuspuls träffar en absorbent anordnad i anslutning till nänmda mätcell; mätande av ett andra akustiskt eko som genereras när nänmda fotoakustiska ljudvåg träffar nämnda absorbent; och bestämning av koncentration och egenskaper hos partiklar i nänmda fluid baserad på åtminstone nänmda första och andra akustiska ekon.

Olika utföringsfonner av metoden ovan beskrivs i de osj älvständiga patentkraven 15-18.

Vidare, enligt en ytterligare aspekt av uppfmningen uppnås ändamålen även med ett system för styming och/eller övervakning av en tillverkníngsprocess, inbegripande minst en fluid, innefattande minst en anordning enligt ovan anordnad att vara i signalkommunikation med en styr- och/eller övervakningsenhet inrättad att styra och/eller övervaka nämnda tillverkningsprocess genom användande av parametrar representerande koncentrationen och/eller egenskaperna hos närrmda partiklar.

En utföringsform av systemet ovan är beskrivet i det osj älvständiga patentkravet 13.

Föreliggande uppfinning tillhandahåller en snabb och noggrann lösning på problemet att mäta koncentrationen av partiklar i en fluid samt egenskapema hos partiklarna. Exempelvis, i en fluid, såsom suspension av pappersmassa, kan uppfinningen användas för att bestämma både den totala koncentrationen, så väl som proportionema, i absoluta tal, av fiber och finmaterial.

Uppfinningen kan också användas för att bestämma absoluta värden för fibermaterialets mekaniska egenskaper, t.ex. elastisk moduli, iörlustfaldor, etc. Uppfinningen tillhandahåller också snabba mätningar och noggranna mätresultat.

Följaktligen kan uppfinningen användas i on-line och i realtidsapplikationer för processtyrning och processövervakning, såsom vid styrning och övervakning av olika steg i en beredningsprocess för pappersmassa. Möjligheten att utföra mätningar av koncentration fiber, proportionema fiber-finmaterial och bestämning av fibremas elastiska egenskaper on- line och i realtid med den föreslagna tekniken enligt uppfinningen är betydligt mer fördelaktig jämfört med lösningar enligt känd teknik.

Dessutom innebär några av de tidigare kända tekniska lösningama att icke-linjäriteter introduceras i mätningar som väsentligen kan sänka prestanda i termer av exakt bestämning av koncentration. Föreliggande uppñnning tillhandahåller exponentiellt minskande signalamplitud med ökande koncentration av absorberande/ spridande material i en mätcell.

Detta är fördelaktigt ur ett systembyggnadsperspektiv.

Ytterligare fördelar och tillämpningar av föreliggande uppfinning kommer att framgå av följande detaljerade beskrivning av uppfinningen.

Kortfattad figurbeskrivning De bifogade figurema är avsedda att förtydliga och förklara föreliggande uppfinning där: - figur l schematiskt visar en utföringsform av en anordning enligt uppfinningen, - figur 2 visar ett exempel på amplituden för tre uppmätta fotoakustiska ekon som funktion av tid; - figur 3 schematiskt visar en anordning enligt uppfinningen visad som ett flertal olika lager; - figur 4 visar när en ljuspuls passerar genom en semitransparent absorbent när det inte finns några partiklar i en mätcell; - och figur 5 visar när en ljuspuls passerar genom den semitransparenta absorbenten när det finns partiklar i mätcellen; och - figur 6 schematiskt visar ett system enligt uppfinningen.

Detaljerad beskrivning av utföringsformer av uppfinningen Uppfinningen är bland armat baserad på principen om den optoakustiska eller fotoakustiska effekten, vilken skapar ljud med användande av ljus som "ljudskapare". Ljud skapas när ljus absorberas av ett material som ljuset interagerar med. Ljusabsorption alstrar värme och beroende på våglängden hos ljuset och materialegenskaper hos materialet kan absorptionen vara mycket olika för olika konfigurationer av våglängd och material.

Exempelvis, om två bitar av samma material, en målad svart och en annan vit, placeras utomhus en solig dag under en tidsperiod, kommer det svarta materialet att bli mycket varmare jämfört med vita. Istället för att kontinuerligt belysa materialet, som i exemplet ovan, kan en kort intensiv lj uspuls riktas mot materialet. Detta kommer att skapa en snabb lokal uppvärmning, vilken via en termoelastisk konversionsprocess skapar en kompressionsvåg- dekompressionsvåg, hädanefter betecknad som en fotoakustisk lj udvåg. Denna fotoakustiska ljudvåg skapad via den termoelastiska omvandlingsprocessen mäts med användande av en eller flera sensorer.

Utan att begränsa omfattningen av föreliggande uppfinning, kommer ordet suspension att användas liktydigt med ordet fluid i följande beskrivning. Vidare kommer ordet partiklar i följ ande beskrivning i allmänhet avse de ovan beskrivna fibrerna och finmaterialet i en suspension av pappersmassa. Det inses dock av fackmannen att föreliggande uppfinning är tillämplig på fluider i allmänhet innehållande partiklar av olika slag.

Figur 1 visar en utíöringsforrn av en anordning 10 för mätning av koncentration och egenskaper hos partiklar i en suspension enligt uppfinningen. Enheten 10 innefattar en lj usenhet 7, företrädelsevis en laserpulsenhet, anordnad att sända ut ljuspulser in i en måtcell 3 innehållande suspensionen som skall analyseras.

Dessutom innefattar enheten 10 även en semitransparent absorbent 6 genom vilket ljuset passerar väsentligen vinkelrätt in den fluid som finns i mätcellen 3, dvs. ljuspulsen går in i mätcellen 3 genom den semitransparenta absorbenten 6. Den semitransparenta absorbenten 6 är inrättad på ett sådant sätt att en del av den lj uspuls som passerar genom den semitransparenta absorbenten 6 kommer att absorberas, och en fotoakustisk ljudvåg kommer att skapas som kommer att propagera genom suspensionen såsom visas i figur 1. Dessutom, en del av ljuspulsen som inte absorberas i den semitransparenta absorbenten 6 kommer att propagera igenom suspensionen i mätcellen 3 som en ljuspuls, och beroende på partiklarna i suspension, kommer ljuset att spridas och absorberas, se figur 1.

Det ljus som inte absorberas eller sprids i suspensionen, kommer att träffa en absorbent 4 anordnad parallellt med den semitransparenta absorbenten 6, och på den motsatta sidan av mätcellen 3 i förhållande till den semitransparenta absorbenten 6 i den riktning där lj uspulsen propagerar. Vid absorbenten 4 kommer ljuspulsen att absorberas därigenom skapa en fotoakustisk lj udvåg, vilken kommer att färdas genom absorbenten 4 och träffa en mätenhet 5, och ett första fotoakustiskt eko E; kommer att fångas av mätenheten 5. I denna specifika utföringsform är mätenheten 5 en ultraljudssensor akustiskt ansluten till absorbenten 4 för att detektera och mäta akustiska vågor som träffar absorbenten 4, eller när akustiska vågor genereras i absorbenten 4 när ljuspulser träffar absorbenten 4 beroende på den ovanstående beskrivna fotoakustiska effekten. Signalema (ekona) som fångas av mätenheten 5 kan behandlas av en behandlingsenhet, såsom en separat digital signalbehandlingsenhet (DSP- enhet) eller en datorenhet.

Det första fotoakustiska ekot E; kommer att ha maximal amplitud i rent vatten, och därefter kommer amplituden för det fotoakustiska ekot E; att minska (exponentiellt) då volymkoncentrationen av spridande/absorberande material ökar i suspensionen. Därför kommer amplituden för det första fotoakustiska ekot E1 att vara direkt proportionellt mot mängden ljusabsorption/spridning i suspensionen.

Vidare, den fotoakustiska lj udvågen som skapas när ljuspulsen först träffar den semitransparenta absorbenten 6 kommer också att färdas genom suspensionen och träffa absorbenten 4. I denna utföringsform fmns det ett visst avstånd till varje sida av mätcellen 3 för att undvika ljudreflexer från sidorna av mätcellen 3, t.ex. ca 15 mm från centrum av ljusstrålen.

Vid absorbenten 4 kommer en del av ljudvågen att reflekteras tillbaka in i suspensionen, medan den återstående delen av ljudvågen kommer att träffa absorbenten 4 och propagera genom densamma, därigenom skapa ett andra fotoakustiskt eko E; vilket kommer att fångas in av ultraljudssensom. Det andra fotoakustiska ekot E; kommer att vara proportionellt mot ljuddåmpningen i suspensionen. Detta då eventuella bidrag försummas från ljuset som reflekteras tillbaka i suspensionen, åter träffar den semitransparenta absorbenten 6 och absorberas, därigenom skapar ytterligare energi till det andra fotoakustiska ekot E; . Om inte detta bidrag går att bortse från kan ett tredje akustiskt eko E 3 användas, vilket är resultatet av när en del av ljudvågen reflekteras vid absorbenten 4 och färdas tillbaka genom suspensionen och reflekteras vid den semitransparenta absorbenten 6, och återigen färdas genom suspensionen. Återigen, delvis reflekterad när den stöter på absorbenten 4, medan den resterande delen kommer att färdas genom absorbenten 4 och fångas av ultraljudsensom för att skapa det tredje fotoakustiska ekot E 3_ Figur 2 visar en exempel där amplitudema för ett första E 1, andra E; och tredje E 3 ljudeko fångas av en mätenhet 5, och efter Signalbehandling visas i ett diagram. I exemplet i figur 2, visas amplitudema för de första E 1, andra E; och tredje E 3 ljudekona som en funktion av tiden.

Enligt en annan utföringsform av uppfinningen, innefattar den semitransparenta absorbenten 6 en plastfilm 2 monterad på ett ljustransparent glaslager 1. Med denna konfiguration delas ljuspulsen direkt in i en ljuddel och en ljusdel när den kommer in mätcellen 3 genom den semitransparenta absorbenten 6. Genom att förändra absorptionen och tj ockleken på plastfilmen 2, kan förhållandet mellan ljud och ljus som skickas in mätcellen 3 bestämmas.

Det kan t.ex. vara fördelaktigt i en suspension där partiklarna är mer eller mindre känsliga för antingen ljus eller ljud, och därför göra det möjligt att bestämma signal-till-brus-fórhållandet (SNR) för olika fotoakustiska ekon. I fallet då en suspension påverkar ljus mer än ljud och har en signal där alla ekon är synliga, finns det ett behov av att kompensera obalansen genom att välja en plastfilm som har låg ljusabsorption för att öka den mängd ljus som kommer in i mätcellen. I en försöksuppställning, utgjordes plastfolie 2 av polyester med en tjocklek av 40 pm och en radie på 25 mm. För att hålla plastfilrnen på plats var den monterad på ett optiskt transparent material, t.ex. ett cylíndriskt kvartsglas med en tjocklek på 3 mm och en radie på 25 mm.

Enligt en ytterligare utföringsforrn av uppfinningen kan plastfilmen 2 skyddas mot olika kemikalier som kan förekomma i suspensionen. Skyddet kan realiseras som ett tunt, plant skikt av en optiskt transparent polymer monterad på plastfilmen, eller som en lämplig skyddande beläggning som täcker plastfihnen. Absorbenten 4 kan också skyddas på samma sätt som den semitransparenta absorbenten 6 . Vidare, för att generera ett stort E 1 är det viktigt att absorbenten 4 har en hög optisk absorptionskoefficient för den använda lj usvåglängden.

Dessutom bör absorbenten 4 ha låg akustisk dämpning. Annars kommer amplituden hos ljudvågoma att minska snabbt när de färdas genom absorbenten 4 mot ultralj udssensom.

Materialet i absorbenten 4 kan vara antingen PVC eller annat plastmaterial med de önskade egenskaperna som nämns ovan. Tjockleken x4 på absorbenten 4 var i en experimentuppställning 14 mm och hade en radie på 24 mm.

Av diskussionen ovan är det tydligt att åtminstone tre intressanta fotoakustiskt ekon E 1, E 2, E 3 kan användas vid mätning enligt uppfinningen. Det första fotoakustiska ekot E 1 är proportionellt mot mängden ljus som spritts eller dämpats av suspensionen. Det andra E 2 och tredje E 3 fotoakustiska ekona är relaterade till hur ljudet påverkas av suspensionen. Man bör också inse att fler än de ovan nämnda tre ekona kan användas vid mätningama. Förhållandet mellan det andra E; och tredje ekot E 3 ger ljuddämpningen i suspension i Np/m eller dB/m.

Ljudets dämpning påverkas av olika faktorer inklusive masskoncentrationen av fibrer/finmaterial, fibremas geometri och fibremas elastiska egenskaper. I experiment har uppfinnarna visat att ljuset påverkas mest av finmaterialet, medan ultralj udsvågor till största delen påverkas av fibrerna.

Genom att kombinera uppmätta fotoakustiska ekon (E 1, E 2, E 3) kan den totala koncentrationen, liksom proportionerna, i absoluta tal, av fibrer och finrnaterial bestämmas.

Genom att studera ultralj udsdärnpningen som fimktion av fiekvens, kan fibermaterialets elastiska parametrar också bestämmas.

Figur 3 visar schematiskt en anordning 10 enligt uppfinningen visad som ett flertal olika lager, vilka är numrerade enligt tabell l nedan. lmger än 1 z 3 4 Pr: Glas Plastfihn Fluid (märcell) Absorbenr Tabell 1: Referensnummer fór olika lager En ljuspuls genererad av en laserpulsenhet propagerar från laserpulsenheten (från vänster i figur 3) genom ett luftlager, 0, och passerar genom en semitransparent absorbent 6 in i en mätcell 3 innehållande den fluid som skall studeras. Den semitransparenta absorbenten 6 består i denna utföringsform av ett glaslager 1 på vilket en plastfilm 2 är monterad. Plastfolien 2 är monterad på suspensionssidan av glaslagret 1 (höger sida av glaslagret i figur 3).

För vidare förståelse av egenskapema hos de första E1, andra E 2 och tredje E 3 fotoakustiska ekona, visar figur 4 en förstoring där glaset 1, plastfilmen 2 och suspensionen 3 möts.

Symbolen I i figur 4 anger intensiteten hos den laserpuls som träffar plastfilmslagret 2.

Ljuspulsen kan delas in i tre delar. En del av ljuset, betecknad IR, kommer att reflekteras när ljuset träffar plastfilmslagret 2. En arman del av ljuspulsen, betecknad IA, kommer att absorberas i plastfilmslagret 2 och generera en fotoakustisk ljudvåg; och det resterande ljuset, betecknat IT , kommer att propagera in i suspensionslagret 3, och fortsätta att propagera genom suspensionslagret 3 och träffa absorbentlagret 4.

Första fotoakustiskt eko E 1 (optisk dämpning) Som nämnts är amplituden for det första fotoakustiska ekot E 1 proportionellt mot det ljus som träffar absorbenten 4, och kan beskrivas som, E, = rrrrfe-xßfise-F-f-'rw (1) där K4 = omvandlingsfaktor (ljus till ljud), IT = transmitterad ljus genom plastfilmslagret 2, x; = tjockleken på fluidlagret 3 (mätcell), a; = dämpningskoefficient för ljus i fluidlagret 3, x4 = tj ockleken på det absorberande lagret 4, och ß4 = dämpningskoefficienten för akustiska vågor i absorbentlagret 4. Det bör noteras att överiöringen mellan absorbentlagret 4 och ultraljudsgivaren har törsummats, eftersom den transmissionen räknas iör alla ekon.

Andra fatoakustískt eko E ; (ljuddämpning) Amplituden för det andra fotoakustiska ekot E; som bildas när ljuset absorberas i plastfilmslagret 2 kan matematiskt beskrivas som, E: = Kziàrzae-aßßraie-ßw» (2) där IA är det absorberade ljuset, ß3 och ß4 är dämpningskoefficienter för ljudvågen i fluidlagret 3 respektive absorbentlagret 4, och T ;3 och T 34 är akustiska transmissionskoefficienter för gränssnitten mellan lagren, som beskriver andelen ljud som kommer att överföras från ett material till ett annat i gränssnittet mellan de två materialen.

Referenser till definitioner av transmissions- och reflektionskoefficienter kan exempelvis finnas i läroböcker som Kinsler R.E. et al, Fundamentals of Acoustícs, John Wiley & Sons, lnc., 2000.

Andra fotoakustískt eko E; (optisk reflektion) När partiklar finns i mätcellen 3, kan en del av ljuset som reflekteras av partiklarna återvända till plastfilmslagret, 2, såsom visas i figur 5 jämfört med fallet då det inte finns några ljusreflekterande partiklar i mätcellen 3, vilket visades i figur 4. Om det finns partiklar som reflekterar ljuset i mätcellen 3, såsom über/finmaterial i en suspension, kan det andra fotoakustiska ekot E; matematiskt beskrivas som, E: = E: (Iajdrai-išlrzse #539” Ta-se “Bin (3) Om ITRA, dvs. ljuset som har sänts in i lager 3 och reflekteras av partiklar och returnerats in i 2 och absorberas är försumbar kan det andra fotoakustiska ekot E; användas för att uppskatta ultraljudsdänipningen. Emellertid om Im., bidrar till att excitera den ursprungliga ljudvågen måste man använda förhållande av både det andra E; och tredje E 3 ekot för att få en uppskattning av ljuddämpningen.

Tredje fotoakustiskt eko E 3 (Uuddämpníng) Det tredje fotoakustiska ekot E 3 kan matematiskt beskrivas som, 53 = Krfaflüïähfzs-Ræfiazfaafm* (4) 10 där förutom transmissionskoefficienter, även innefattar reflektionskoefficientema R 34 respektive R 3 ;. Beträffande det tredje fotoakustiska ekot E 3 så bör det noteras att det tredje fotoakustiska ekot E 3 har gått igenom fluidlagret 3 tre gånger, vilket resulterar i tre gånger avståndet x 3 i exponenten av exponentialfunktionen i ekvation (3). Genom att dividera det andra E; akustiska ekot med det tredje E 3 akustiska ekot erhålles lj uddämpningskoefficienten ß; i fluidlagret 3 som, EE;- __ KQI¿Q_3ÄXE'BSTE3R34R3QT34E_ÅYS 1 Eg " Kzfárzse-*ßlär-Me-flw» _) ß* " _ m zxa (%:eï-=å (5) Absorptionskoefficienten ß 3 kan representeras i tidsdomänen, i vilket fall amplituden för det första E; och andra E; ekot används. Emellertid, eftersom ljudabsorption ofta är en funktion av frekvensen kan FFT:en (Fast Fourier Transform) för det första E; och andra E; ekot användas istället. Alla tre fotoakustiska ekon E ;, E;, E 3, är ljudpulser som innehåller elementarvågor i en rad olika frekvenser. Beroende på ljudabsorption i materialet erhålles olika spektra. I våra experiment är spektra oftast i MHz-området, t.ex. 2-15 MHz.

För två ekon: genom mätning av en uppsättning kalibreringsmassor med känd masskoncentrationen av fibrer och finmaterial, och med användande av statistiska metoder såsom PLS-metoden (Partial Least Squares Method), kan förhållandet mellan det första E; och andra E; ekot och totala masskoncentrationen samt andelen finmaterial bestämmas. PLS- metoden används för att konstruera en statistisk modell som beskriver sambandet mellan ekona E; och E; med den totala masskoncentrationen samt andelen fiber och finmaterial genom en uppsättning koefñcienter. Koefficienterna tillsammans med nya uppmätta värden på ekona E; och E; används för att uppskatta den totala masskoncentrationen samt andelama fiber och finmaterial för nytt uppmätt massaprov. En beskrivning och förfarande för att bygga en PLS-modell beskrivs i detalj i Wold S. et al, PLS-regressíon: a basic tool of chemomelrícs, Chemometrics och Intelligent Laboratory Systems, vol. 58, no. 2, pp. 109-130, 2001.

För tre ekon: genom att mäta upp en uppsättning kalibreringsmassor med i förväg kända koncentrationer av fibrer och finmaterial, och genom användande av statistiska metoder såsom PLS-metoden kan förhållandet mellan de första E ;, andra E; och tredje E 3 ekona och ß; och den totala masskoncentrationen samt andelen finmaterial bestämmas. De statistiska metoderna som används härstammar från samma grund som i fallet med två ekon beskrivet ovan. Reflektionskoefficienterna R ; 3 och R 34 kan beräknas teoretiskt eller mätas genom ett förfarande beskrivit av Löfqvist T., llltrasoníc wave attenuation and phase Velocity in a 11 paper-fibre suspension , ln Proc. IEEE Ultrasonic Symp., Toronto, Canada, pp. 841-844, 1997.

De elastiska egenskaperna hos fibrerna beräknas med hjälp av en modell för akustisk dämpning, som härrör från grundläggande ekvationer, i en fibersuspension och anpassa parametrarna i denna modell så att de passar det teoretiskt beräknade dämpningsspektra till ett experimentellt erhållet dämpningsspektra. Modellen kan också användas för att beräkna geometriska data, som fibrers godstj ocklek och fiberdiameter, och deras fördelningar, om fibermaterial elastiska egenskaper och »densitet är kända. Modellen och förfaranden för att lösa detta minimeringsproblem beskrivs i Aitomäki Y. & Löfqvist T., Estímatíng Suspended Fibre Material Properties by Modelling llltrasound Attenuation, i Proceedings of International Conference of Mathematical Modelling of Wave Phenomena, Växjö, Sweden, 2005, och i Aitomäki Y. & Löfqvist T., Inverse Estímatíon of Material Properties from [Iltrasound Attenuation in Fibre Suspensions, Ultrasonics, Volume 49, Issues 4-5 , May 2009, pp. 432- 437.

I en installation av en anordning 10 enligt uppfinningen, genererades ljuspulsen av en diodpumpad, Q-switchad laser (NL202 fi-ån EKSPLA, Vilnius, Litauen). Energin i ljuset var 327 i 3 uJ, och våglängden av ljuset var 1064 nrn med pulslängd om 9 ns vid full halvvärdesbredd (FWHM). Pulsfrekvensen var bestämd till 50 Hz, och ljusstrålens diameter expanderades till 8 mm. Vidare, den fotoakustiskt exciterade signalen detekterades av en bredbandig ultraljudsgivare med en centerfrekvens av 10 MHz (V 31 1) (Panametrics, Waltham, MA, USA) och förstärktes därefter med 60 dB. Medelvärdet av 250 mätningar fängades med ett oscilloskop (Yokogawa DL9000) med en samplingshastighet på 250 MHz och lagrades i en dator för off-line analys.

Tjockleken på glaset, lager 1, var i denna installation 3 mm och hade en radie på 25 mm.

Tjockleken på plastfilmen 2 var 40 um med samma radie av 25 mm, och storleken av mätcellen 3 var 30><30 mm. Tj ockleken på det absorberande lagret 4 x4 var 14 mm med en radie på 24 mm. Glaset 1 och absorbenten 4 var monterade på fyra precisionsbearbetade rektangulära bitar av rostfritt stål.

Föreliggande uppfinningen avser vidare en metod för att mäta koncentration och egenskaper hos partiklar i en fluid enligt uppfinningen. Enligt metoden tillhandahålls en första ljuspuls, 12 vilken kommer att passera genom en semitransparent absorbent 6 in i en mätcell där fluiden finns. När den första lj uspulsen passerar genom den semitransparenta absorbenten 6 kommer den första ljuspulsen att delas upp i en fotoakustisk ljudvåg och en andra ljuspuls som kommer att propagerar genom fluiden. Genom att mäta ett första akustiskt eko E 1 som genereras när närrmda andra ljuspuls träffar en absorbent 4, och mäta ett andra akustiskt eko E; som genereras när nämnda fotoakustisk ljudvåg träffar närrmda absorbent 4; och använda åtminstone de första E 1 och andra E; akustiska ekona kan koncentrationen och egenskaper hos partiklar i fluiden bestämmas.

Enligt en utföringsform av metoden ovan kan ett tredje akustiskt eko E 3 även användas.

Denna utföringsform innefattar dessutom steget mätande av ett tredje akustiskt eko E 3 som genereras när en tredje ljuspuls träffar absorbenten 4, varvid den tredje ljuspulsen är en del av den andra ljuspulsen som reflekterats vid absorbenten 4, propagerad tillbaka genom fluiden, reflekterats av den semitransparenta absorbenten 6 och som propagerar genom fluiden för att träffa absorbenten 4. Genom att använda åtminstone de första E1, andra E; och tredje E 3 akustiska ekona kan koncentrationen partiklar och egenskapema hos partiklarna i fluiden bestämmas.

Vidare avser uppfmningen också ett system för att styra och/eller övervaka en tillverkningsprocess innefattande minst en anordning 10 enligt uppfinningen. Figur 6 visar schematiskt en utföringsfonn av ett sådant system i vilket anordningens 10 mätcell 3 (övriga delar av anordningen 10 är inte visade i Figur 6) är i fluidkontakt, med i detta fall, en papperstillverkningsprocess via ledningar så att suspensionen av pappersmassa i tillverkningsprocessen kan mätas kontinuerligt eftersom en del av suspensionen av pappersmassa i processen passerar mätcellen 3. Anordningen 10 är inrättad att vara i kommunikation med en styr- och/eller övervakningsenhet, t.ex. medelst en kommunikationslänk (kabel eller trådlöst) såsom visas i figur 6. Styr- och/eller övervakningsenheten kan innefatta behandlings- och analysorgan för bestämmande av koncentration och egenskaper hos partiklar i pappersmassan representerade parametervärden vilka kan användas for styr och/eller övervakning av processen. Vidare kan tillverkningsprocessen styras medelst en processtyrning som har nödvändiga organ för att styra papperstillverkningsprocessen. 13 Det bör inses att en anordning 10 och en metod enligt föreliggande uppfinning kan användas i andra tillämpningar än for mätning av suspension av pappersmassa i en papperstíllverkningsprocess. Till exempel kan uppfmningen användas i livsmedelsindustri, kemisk industri, läkemedelsindustri, eller i någon annan processindustri där föreliggande uppfinning är tillämplig.

Slutligen bör det förstås att föreliggande uppfinning inte är begränsad till utföringsformema beskrivna ovan, utan även avser och innefattar alla utföringsforrner inom ramen för de bifogade självständiga patentkravens skyddsomfång.

Claims (18)

14 Patentkrav

1. Anordning för mätning av koncentration och egenskaper hos partiklar i en fluid, varvid nänmda anordning (1 0)' innefattar: - en lj usenhet (7) anordnad att tillhandahålla en första ljuspuls in i en mätcell (3) innehållande nänmda fluid; och - en absorbent (4) anordnad i anslutning till nämnda mätcell (3) och ansluten till en mätenhet (5), varvid nämnda mätenhet (5) är anordnad att mäta signaler som når nänmda absorbent (4), kännetecknad av att nämnda anordning (10) vidare innefattar - en semitransparent absorbent (6) genom vilken nämnda första ljuspuls passerar när den tränger in i nänmda mätcell (3) så att nämnda första ljuspuls delas upp i en fotoakustisk lj udvåg och en andra ljuspuls vilka kommer att propagera genom nämnda fluid i en riktning där nänmda absorbent (4) är anordnad så att de når nämnda absorbent (4).

2. Anordning enligt patentkrav 1, vidare innefattande en behandlingsenhet anordnad att vara i signalkommunikation med nämnda mätenhet (5) vilken är en ultraljudssensor.

3. Anordning enligt patentkrav 1 eller 2, varvid nämnda semitransparenta absorbent (6) är så anordnad att energitörhållandet mellan nämnda fotoakustiska lj udvåg och nämnda andra ljuspuls kan varieras genom att variera absorptionen och tjockleken hos närrmda semitransparent absorbent (6).

4. Anordning enligt patentkrav 3, varvid nämnda semitransparenta absorbent (6) är en plastfilm (2).

5. Anordning enligt patentkrav 4, varvid nänmda semitransparenta absorbent (6) vidare innefattar ett ljustransparent glaslager (1) på vilket nämnda plastfilm (2) är monterad.

6. Anordning enligt patentkrav 4 eller 5, varvid nämnda sernitransparenta absorbent (6) vidare innefattar en skyddande beläggning eller lager som skyddar nämnda plastfilm (2) från kemikalier i nänmda fluid. 15

7. Anordning enligt något av patentkrav 1-6, varvid nänmda fluid är en suspension av pappersmassa och nämnda partiklar är fmmaterial och/eller fibrer av nänmda suspension av pappersmassa.

8. Anordning enligt patentkrav 7, varvid egenskapema är de fysikaliska egenskaperna hos finmaterial och/eller fibrer, såsom fiberstorlek och densitet; de elastiska egenskaperna, såsom elastiskt moduli och förlustfaktor.

9. Anordning enligt något av patentkrav 1-8, varvid nänmda absorbent (4) innefattar en skyddande beläggning eller lager som skyddar närrmda absorbent (4) från kemikaliema i nämnda fluid.

10. Anordning enligt något av patentkrav 1-9, varvid nämnda ljusenhet (7) är en pulsad laser anordnad att sända ut en laserpuls med en våglängd väsentligen inom absorptionstoppama för nämnda absorbent (4), och varvid nämnda absorbent (4) är akustiskt kopplad till nämnda mätenhet (5).

11. Anordning enligt något av patentkrav 1-10, varvid nämnda första lj uspuls passerar väsentligen vinkelrätt genom nänmda semitransparenta absorbent (6), och nänmda absorbent (4) är anordnad väsentligen parallellt med nänmda semitransparenta absorbent (6) och anordnad på den motsatta sidan av nänmda mätcell i förhållande till närrmda semitransparenta absorbent (6).

12. System för styrning och/eller övervakning av en tillverkningsprocess, inbegripande minst en fluid, innefattande minst en anordning (10) enligt något av patentkrav 1-11 anordnad att vara i signalkommunikation med en styr- och/eller övervakningsenhet anordnad att styra och/eller övervaka nämnda tillverkningsprocess genom användande av parametrar representerande koncentrationen och/eller egenskaperna hos närrmda partiklar.

13. System enligt patentkrav 12, varvid nämnda mätcell (3) har fluidkontakt med en suspension av pappersmassa i nämnda tillverkningsprocess, och nämnda tillverkningsprocess är en papperstillverkningsprocess. 16

14. Metod för mätning av koncentration och egenskaper hos partiklar i en fluid, varvid nänmda metod kännetecknas av stegen: -tillhandahållande av en första ljuspuls genom en semitransparent absorbent (6) in i nämnda fluid i en mätcell (3) så att nämnda första ljuspuls delas upp i en fotoakustisk ljudvåg och en andra ljuspuls vilka kommer att propagera genom nämnda fluid; - mätande av ett första akustiskt eko (E 1) som genereras när nämnda andra ljuspuls träffar en absorbent (4) anordnad i anslutning till nänmda mätcell (3); - mätande av ett andra akustiskt eko (Eg) som genereras när nämnda fotoakustiska ljudvåg träffar nämnda absorbent (4); och - bestämning av koncentrationen och egenskapema hos partiklar i nämnda fluid baserad på åtminstone nämnda första (E 1) och andra (Eg) akustiska ekon.

15. Metod enligt patentkrav 14, varvid nämnda första akustiska eko (E 1) är proportionellt mot den optiska dämpningen i nämnda fluid, och nämnda andra akustiska eko (Eg) är proportionellt mot den akustiska dämpningen i nämnda fluid.

16. Metod enligt patentkrav 14 eller 15, vidare innefattande stegen: - mätande av ett tredje akustiskt eko (E 3) som genereras då en tredje ljuspuls träffar nämnda absorbent (4), varvid nänmda tredje ljuspuls är en del av nämnda andra ljuspuls reflekterad vid nämnda absorbent (4), propagerad tillbaka genom nämnda fluid, reflekterad vid nämnda semitransparent absorbent (6), och propagerad genom nänmda fluid för att träffa nämnda absorbent (4); och - bestämning av koncentrationen och egenskapema hos partiklar i nänmda fluid baserad på åtminstone nänmda första (E 1), andra (Eg) och tredje (E 3) akustiska ekon.

17. Metod enligt patentkrav 16, varvid nänmda tredje akustiska eko (E 3) är proportionellt mot den akustiska dämpningen i nänmda fluid, och förhållandet mellan nämnda andra (Eg) och tredje (E 3) akustiska ekon ger den akustiska dämpningen i nänmda fluid i Np/m eller dB/m.

18. Metod enligt något av patentkrav 14-17, varvid nämnda ljuspuls utgörs av en laserpuls och nämnda absorbent (4) anordnads väsentligen parallellt med nänmda semitransparenta absorbent (6) och på den motsatta sidan av nämnda mätcell (3) i förhållande till nänmda semitransparenta absorbent (6).