SE437428B - Forfarande for bestemning av masskoncentrationen av suspenderade partiklar i ett gasformigt medium samt anordning for genomforande av forfarandet - Google Patents

Description

8005251-7 är förhållandevis okänsliga.

Den tredje gruppen, ljusspridningsinstrumenten, kräver ofta återkommande kalibrering och är även känsliga för förändringar av partiklarnas brytningsindex.

Ett flertal mätinstrument för mätning av partiklar i ett strömmande medium är även patentsökta eller patent- skyddade. En sådan utrustning beskrivs exempelvis i det brittiska patentet l.4lO.95U. Den däri angivna uppfinningen avser en metod för detektering av storleksfördelningen av partiklar suspenderade i ett strömmande medium såsom en fluid, och vilken anordning i huvudsak detekterar energiförlusten hos en ljudstråle som passerar mediet. Ändamål Ändamålet med föreliggande uppfinning är att påvisa ett förfarande och en anordning med vars hjälp momentan mätning av andelen suspenderade partiklar inom ett kornstorleks- område i ett gasformigt medium kan genomföras och som ej är behäftad med ovan relaterade nackdelar hos befintliga mätinstrument. Anordningen skall vara driftsäker och okänslig för t.ex ändringar i gastemperatur, fuktighet och korrosiva gaser. Vidare skall uppfinningen vara billig att tillverka och funktionssäker. Detta åstadkommas upp- finningsenligt därigenom att åtminstone en ljudvåg med bestämd frekvens bringas att passera genom det gasformiga mediet varvid ljudvågens hastighetsförändring, orsakade av de suspenderade partiklarna, detekteras och bearbetas varvid ett värde på andelen suspenderade partiklar i mediet åskådliggöres på en presentationsanordning.

Ritningsförteckning Uppfinningen kommer nedan att beskrivas närmare i ett utföringsexempel under hänvisning till bifogade figurer.

Fig. l visar ett blockschema över en uppfínníngsenlig elektronikenhet, Fig. 2 visar ett tvärsnitt genom en mätkammare, 8-:Û0525e1-7 Fig. 3 visar ett signalschema, Fig. U visar ett logiskt schema över en fasmätnings- enhet.

Beskrivning av utförinnsexempel I fig. l visas hur en elektronikenhet 2, en sändare 3, en mottagare 4, samt en mätkammare 5 principiellt är sammankopplade. Mätkammaren 5 kan t.ex utgöras av ett slutet utrymme för stoftkoncentrationsmätningar i t.ex laboratoriemiljö men kan naturligtvis även vara en del av ett rör eller kanal avsett exempelvis för rökgaser. Det är även möjligt att genomföra mätningar i ett icke slutet utrymme. Sändaren 5 utgöres lämpligen av en eller flera ljudalstrare i någon form, såsom t.ex en högtalare för ultraljud, och mottagaren U består av åtminstone ett mikrofonelement känsligt för ljudvågor inom sändarens 3 frekvensomrñde. Elektriska signaler som tillföres sändaren 3 alstras i elektronikenheten 2 vilka elektriska signaler omvandlas av sändaren 3 till ljudsignaler (ljudvågor), vilka i sin tur mottages av mottagaren H och omvandlas ånyo till elektriska signaler.

Dessa tillföres elektronikenbeten 2 för bearbetning, registrering och/eller presentation.

Instrumentets matprincip Partikeldetektorn 1 baseras på en ny mätprincip. Det är i och för sig sedan tidigare känt att ljudhastigheten i en gas innehållande suspenderade partiklar (C) förhåller sig till ljudhastigheten i den rena gasen (Co) enligt följande samband: CO: Ä' -ë ii/çg z, där k = masskoncentrationen av partiklarna ?¿§ = gasens densitet ' 2.¶'2 2 2 Z = w d c . w'ft 1 ' + (Y-1) -22 (l - ---g-- ) 1+w2'Td2 Cpg 1 * W °Tt2 "šššsß QX: Rtlfl daoos2s1-7 H där w = vinkelhastigheten hos ljudvågen Td = partikelns dynamiska relaxationstid Y 7 = förhållande mellan specifika värmet hos gasen vid konstant tryck resp. volym Cpp = partikelns specifika värme vid konstant tryck Cpg = gasens specifika värme vid konstant tryck Tt = partikelns termala relaxationstíd = = 3PrCÉ2 , där Pr är Prantls tal (i gaser dzmpg är Pr = o,7o-o,73) Partikeldetektorns l sändare 3 sänder lämpligtvis ut sinusformade ljudsignaler med två från varandra skilda frekvenser och mäter den skillnad i tid det tar för dem att nå_mottagaren 4. För att erhålla en noggrann tidsbestäm- ning filtreras ocn förstärkas de mottagna sinussignalerna så att en fyrkantvåg erhålles (se signalschema i fig. 3).

Uttrycket l + kš kan för små värden på -çlc-L- (vilket E E det i dessa sammanhang alltid är fråga om)även skrivas 1+Å1<Ã 2 Ye: alltså får vi åxå 2 Qg Om avståndet mellan högtalare och mikrofon är j och tiden = t i stoftbemängd gas och ä to i ren fås: 9.9 0:1* l/m f, to +At dm; 1 z WT--E-O T=l+ïz=l+ïk'ç-g.0íšh _ At-Yå _ g eller k ' to - Z At=c -šk O “WN to är också relativt konstant men kan vid stora förändringar i gassammansättning eller temperatur tas med i beräkningarna. 8005251-7 Z är ett dimensionslöst tal, som mest bestämmas av partikelstorleken och mätfrekvensen. övriga storheter påverkar Z relativt lite och är relativt konstanta under de förhållanden, som här är aktuella.

Genom att variera frekvensen kan man diskriminera vissa partikelstorlekar och alltså mäta masskoncentrationen inom olika partikelstorleksområden.

I fíg. 2 visas ett blockschema över partikeldetektorns 1 elektronikenhet 2. Elektronikenhetens 2 väsentligaste beståndsdelar utgöres av en fasmätningsenhet 6, en första och en andra frekvenskanal 7,8, den första med lägre frekvens och den andra med högre frekvens, samt en presen- tationsanordning 9. Den första frekvenskanalen 7, avsedd för en lägre ljudfrekvens,består förutom av en sändare Ba av en oscillator l0a och en effektförstärkare lla.

Det pulståg som alstras i oscillatorn l0a förstärks av effektförstärkaren lla och tillföres sändaren Ba vari de elektriska signalerna H0 omvandlas till sinusformade ljudvågor. Dessa passerar mätkammaren 5 och detekteras av mottagaren 4 och omvandlas till en elektrisk signal.

Signalen förstärks i en mikrofonförstärkare l2a, filtreras i ett bandpassfilter l3a och förstärkes samt digitaliseras i en omvandlingskrets lüa. Signalen H1 tillföras därefter fasmätningsenhetens 6 SLAV-ingång A.

På motsvarande sätt alstras i oscillatorn l0b ett elektriskt pulstâg, dock med en något högre frekvens, vilket pulståg tillföras och förstärkas av effektförstärkaren llb varefter signalen U2.omvandlas och utsändes av sändaren Bb. Efter passage genom mätkammaren 5 mottages ljudsignalen av mottagaren Hb vari den ånyo omvandlas till en elektrisk signal. Signalen förstärks av mikrofonförstärkaren l2b och tillföras bandpassfiltret l3b för att därefter digita- liseras i omvandlingskretsen lüb. Denna signal H3 tillföres ïj-.ßfl nwwnhlff? eooszs1-7 OK fasmätningsenhets 6 DOMINANT-ingång B.

En tidsfördröjningskrets 17 är anordnad att först efter viss fördröjning, från det att utsändning av ljudsignaler påbörjats, aktivera fasmätningsenheten 6. Detta möjliggör diskriminering av icke önskvärda ekoeffekter, ljudreflexer och yttre ljudstörningar under mätningen. I presentations- anordningen 9 alstrar en kristallstyrd klockpulsgenerator I 18 ett pulstâg med förutbestämd frekvens och vilket pulståg via en elektronisk strömställare 19 pâföres en räknekrets 20. Detta sker under de tidsintervaller fasmätningsenheten 6 påverkar strömställaren 19 att vara kortsluten. I räkne- kretsen 20 ackumuleras det antal pulser som tillföres från klockpulsgeneratorn 18 varvid information från räkne- kretsen 20 tillföres en display 21 för exempelvis siffer- presentation. Displayen 21 kan t.ek bestå av en flytande- kristall-display eller annat liknande presentatíonsorgan.

I de fall man önskar utnyttja analog visning är en digital/ analog-omvandlare 22 anordnad att omvandla den digitala informationen till en elektrisk signal med analog information.

Till digital-analog-omvandlarens 22 utgång 23 kan därvid anslutas exempelvis ett externt vridspolinstrument eller 'någon typ av skrivare.

I korthet kan funktionen i blockschemat enligt fig. 2 beskrivas på följande sätt. Då två mekaniska ljudvågor med skilda frekvenser bringas att passera genom det i mätkammaren 5 befintliga gasformiga mediet uppstår en hastighetsförändring eller fasförskjutning hos ljudvågorna som bl.a är proportionell mot andelen suspenderade partiklar i mediet. Efter en förutbestämd tid, vilken bestäms av tídsfördröjningskretsen 17, mäter fasmätningsenheten 6 tidsskillnaden mellan första nollgenomgången för den första ljudvågen och första nollgenomgången för den andra ljudvågen. Härur erhålls ett värde på hastighetsskillnaden mellan de båda ljudvågorna med skilda frekvenser. Tidsför- dröjningen i tidsfördröjningskretsen l7, bestämmer den 8-005251-'7 distans som ljudvågorna tillryggalagt innan mätningen sker. ' Den andra frekvenskanalen 8 kan i detta utföringsexempel betraktas som en referenskanal vars syfte är att kompensera bl.a för temperaturvariationer i mediet. Det är av denna anledning möjligt att utesluta denna del av systemet varvid signalen som tillförs högtalaren Bb kopplas direkt till fasmätningsenheten 6, (ej visat).

Merparten av de i fig. 2 visade elektroniska blocken är av tidigare känd och för fackmannen närliggande konstruktion varför de ej närmare beskrivs här. Det finns dock några undantag varvid exempelvis fasmätningsenheten 6 ej tidigare är känd till sin konstruktion. Fig. H visar närmare i detalj dess funktion. ' Ett flertal integrerade kretsar såsom Schmitt-triggrar, vippor samt grindar utgör fasmätningsenhetens 6 huvudsakliga kretskomponenter. I fig. U över fasmätníngsenheten 6 visas även klockpulsgeneratorn 18 vilken utgöres av en binärräknare 24a, två NAND-grindar 25a,b, en AND-grind 27a, två motstånd-28a,b, två kondensatorer 30a,b samt en kristall 31. Till fasmätningsenhetens 6 DOMINANT-ingång B är triggeringången på en Schmit-trigger 32a kopplad.

Schmitt-triggerns 32a utgång är i sin tur kopplad till triggeringången på en JK-vippa 33a vars Q-utgång är ansluten till AND~grindens 27a ena ingång. Fasmätningsenhetens 6 SLAV-ingång A är i sin tur ansluten till triggeringången på en ytterligare Schmitt-trigger 52b. Utgången på denna är via en AND-krets 27b ansluten till triggeringången på en JK-vippa 35b, vars Q-utgång är kopplad till en NOR-grind 37. AND-grindens 27b andra ingång är ansluten till JK-vippans }3a Q-utgång och samtidigt med ingången på en ytterligare binärräknare âßb. Binärräknarens Züb utgång är vidare elektriskt ansluten till triggeringången på en monostabil vippa 39a vilken triggar på negativ 8005251 -7 flank, samt till triggeringången på en ytterligare JK-vippa 33c. Utgången på den monostabila vippan 39a är ansluten dels till reset-ingångarna R på binärräknarna 2Ha,b samt triggeringången på en ytterligare monostabil vippa 39b vars utgång kan anslutas till digital- analog-omvandlaren 22. Även denna monostabila vippa }9b triggar på negativ flank. En OR-grind 26 är ansluten med sin ena ingång till fasmätningsenhetens 6 fördröjningsingång C och OR- grindens 26 andra ingång är ansluten till fasmätningsenhetensg 6 system-reset-ingång D. OR-grindens 26 utgång är ansluten till JKfvippornas 33b,c reset-ingångar R och åstadkommer alltså en intern återställning.

Fasmätningsenhetens 6 funktion kan i korhet beskrivas enligt följande. Då en elektrisk signal med tillräckligt hög potential tillföres fasmätningsenhetens DOMINANT-ingång B avger Schmitt-triggern 32a en signal till JK-vippans jša triggeringång. Då vippans 33a J-ingång alltid är ansluten till en elektrisk spänning med hög potential avger Q-utgången en utsignal med hög potential vilken tillföres dels AND-kretsen 27a, dels AND-kretsen 27b samt binärräknaren 2Äb. Ett pulståg med förutbestämd frekvens tillåtes nu passera från oscillatorkretsen i klockpuls- generatorn 18 via AND-kretsen 27a till binärräknaren Züa och därefter ut till räknekretsen 20 och dígital-analog- omvandlaren 22. Så snart en elektrisk signal med tillräcklig hög potential tillföres fasmätningsenhetens 6 SLAV-ingång A triggar Schmitt-triggern 32b varvid en hög utsignal 2 tillföres AND-kretsens 27b ena ingång. Eftersom det in detta läge är hög signal på AND-kretsens 27b båda ingångar avger AND-kretsen 27b en hög utsignal vilken triggar JK-vippan Bšb. Härvid âterställes JK-víppan Bša och AND-kretsen 27a tvingas bryta pulståget till binärräknaren 2Ua. Då räknekretsen 20 hela tiden överför sin information till presentationsanordníngen 21 kan således ett värde på POOR QUALITY 8=005251'7 fördröjníngen mellan de två, i mätkammaren 5 överförda, lj udvågorna erhållasf Uppfinningen är naturlígtvísej begränsad enbart till här beskrivet utföringsexempel utan ett flertal alternativa utföríngsformer är möjliga inom patentkravens skyddsomfång. i .e Penta Qfifilm

Claims (9)

eons2s1-vi 1°i P__TENTKRAV ...ía-.í

1. _Förfarande för bestämning av masskoncentrationen av suspenderade partiklar i ett gasformigt medium -k ä n n e t e c k n a t av att åtminstone en ljudvåg med bestämd frekvens bringas att passera genom det gasformiga mediet varvid ljudvågens hastighetsförändring, orsakade av de suspenderade partiklarna, detekteras och bearbetas varvid ett värde på andelen suspenderade partiklar i mediet åskådliggöres på en presentationsanordning.

2. Förfarande enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a t d ä rga v, att ljudvågens eller ljuvågornas fasförskjutning detekteras genom att ljudvågen eller ljudvågorna omvandlas till elektriska signaler och att tiden, mellan de tillfällen signalens amplitud antager ett visst värde, bestämmes.

3. Förfarande enligt patentkrav l eller 2, k ä n n e t e.c k.n a t d ä r a v, att åtminstone två ljudvågor med bestämda, från varandra särskiljande, frekvenser bringas passera genom det gas- formiga mediet varvid ljudvågornas inbördes hastig- hetsförändring, efter passagen genom mediet, detekteras och bearbetas varvid ett mått på andelen suspenderade partiklar i mediet erhålles.

4. H. Förfarande enligt något eller några av ovanstående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att mottagning av en eller flera ljudvågor sker under avgränsade tidsintervaller varunder utsända ljudvågor beräknas nå fram, för eliminering av ljudstörningar.

5. Förfarande enligt något eller några av ovanstående patentkrav, -11 8{)oE;2E;1"7 k ä n n e t e c k n a t d a r a v, att mottagaren innefattar en mikrofon vars mikrofonmembran tillföres en elektrisk signal som påverkar membranet att vibrera för automatiskt avlägsnande av föroreningar från membranet.

6. Förfarande enligt något eller några av ovanstående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t av att de huvudsakligen sinusformade signalerna (üU,M5) förstärkes och omvandlas till fyrkantvågformade signaler (M3,Hl) för underlättande av fasförskjutningsbestämning.

7. Förfarande enligt något eller några av ovanstående patentkrav k ä n n e t e c k n a t avg att ljudvågens eller ljudvågornas frekvens är varierbar för bestämning av masskoncentrationen inom skilda partikel- storleksområden 1 ett gasformigt medium.

8. Anordning enligt förfarandet i patentkrav 1, för bestämning och presentation av masskoncentrationen av andelen suspenderade partiklar i ett gasformigt medium, innefattande en elektronikenhet (2), en sändare (3), en mottagare (N) samt en presentationsenhet (9), k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att sändaren (3) är anordnad i anslutning till det gasformiga mediet och anordnad att avge åtminstone en ljudvåg med bestämd frekvens, att mottagaren (U) är anordnad att detektera och omvandla utsända ljudvågor till elektriska signaler vilka tillföres elektronikenheten (2) och att elektronik- enheten (2) därvid är anordnad att detektera ljudvågens eller ljudvågornas hastighetsförändring, vilken är pro~ portionell bl.a mot masskoncentrationen av partiklarna i mediet.

9. Anordning enligt patentkrav 8, 'Hq-"lfioon QUALITY 800-5251-7 1, kännetelcknad av att en *fasmätníngsenhet (K6) är anordnad att detektera tidsskillnaden mellan åtminstonetvå, på en första och en andra ingång (A,B'), tillför-da signaler.