SE465338B - Saett och anordning foer detektering av partiklar i stroemmande medier - Google Patents

Description

.465 338 2 bildar koniska ytor av ljus som utgår från stoftpartikeln och lyser upp skärmen med ljusa ringar centrerade runt fokus. åtskilda av mörka ringar.

Rörelse hos den ljusavböjande partikeln påverkar ej diffraktionsmönstret, eftersom parallella ljusstrålar alltid fokuseras på axeln och en given konisk avböjningsvinkel resulterar alltid i samma radiella förskjutning (s) i fokalplanet för det avböjde ljuset. För små avlänkningar ges avböj- ningsvinkeln av s/f, där f är linsens brännvidd.

Det förekommer olika metoder för att genom registrering av ljusintensite- ten hos de olika ljusringarna i diffraktionsmönstret dra slutsatser om partikelstorlekar. För registrering av ljusets intensitet används lämpliga typer av ljuskänsliga element.

TEKNIKENS STÅNDPUNKT Befintlig teknik för mätning av stoftpartiklars storlek bygger bland annat på användning av en laserstråle, som bringas att passera det område där studium av partikelförekomst och partikelstorlek skall genomföras. Med kännedom om små partiklars egenskap att sprida ljus och bilda ett diffrak- tionsmönster placeras en platta med fotokänsliga dioder i fokalplanet hos en lins som samlar ljuset till plattan. Fraunhoferdiffraktion uppträder på långt avstånd från spridningskällan, men med hjälp av en lins kan mönstret som skapas studeras på nära håll. Partiklar med en viss storlek ger upphov till ljusringar med kända radier och intensiteter. Ljusintensiteterna i olika ringar uppmäts med fotokänsliga_dioder. De insamlade mätvärdena ger då upplysning om förekomst av partiklar. partiklarnas storlek och mängd.

Känd utrustning syftar till att antingen mäta den totala massan eller storleksfördelningen hos partiklarna i ett strömmande medium. Mätning av partiklars totala massa ger i många fall otillräcklig information om par- tiklars sammansättning.

I de kända anordningarna för partikelmätning används ett stort antal foto- känsliga dioder på den nämnda skivan i fokalplanet. Dessa fotokänsliga dioder kan vara ordnade i ringar, kallade detektorringar, som var och en mäter ljus för en specifik radie hos de ljusringar, som det avböjda ljuset alstrar. Genom att mäta ljusets intensitet i de olika avböjningsvinklarna och föra de insamlade värdena till en dator för beräkningar kan de sökta 465 338 partikelegenskaperna och partikelfördelning bestämmas. Matematiken som ligger till grund för dessa beräkningar finns behandlad i artikeln "A Laser diagnostic technique for the measurement of droplet and particle size distribution" ur AIAA 14th Aerospace Science Meeting, Washington, D.C./January 26-28, 1976 av J. Swithenbank med flera. I den nämnda artikeln framgår hur en av en detektorring mottagen ljuseffekt kan beräknas med formeln 2 _ Hd 2 2 ' 2 2 P - P LN -z- [ JO(uS1) + lI(usl) - J0(us2) - JI(qs2)] O _ H-d Q _ ___ där P0 = avgiven nettoljuseffekt från lasern = mätvolymens längd = partikeltäthet (antal identiska partiklar/volymenhet) = ljusvåglängd L N d = partikeldiameter Ä s detektorringens innerradie/linsens fokallängd 1 S2 JO och J1 ordningen. detektorringens ytterradie/linsens fokallängd - är Besselfunktioner av nollte respektive första För att beräkna inhomogena partikelfördelningar med varierande partikel- storlekar inom mätvolymen behövs ett stort antal detektorer och ett mycket omfattande beräkningsarbete.

En annan teknik är att begagna i marknaden förekommande kvadratiska detektorer med en stor mängd fotodioder samlade i en matris. Genom att samla mätvärden från fotodioder som ligger på samma inbördes avstånd från detektorplattans medelpunkt kan samma funktion som med beskrivna ringde- tektorerna uppnås.

De nämnda instrumenten såväl som befintliga besläktade typer är i första hand att betrakta som laboratorieinstrument och är ej anpassade för an- 'vändning i en industriell miljö. Mätsträckan är också starkt begränsad och 'omöjliggör installation i exempelvis rökgaskanaler inom industrianlägg- -465 338 u ningar. Ett instrument för mätning av partiklar i sådana anläggningar skulle, om det konstruerades enligt hittills använda principer, bli mycket kostsamt.

Enkla, tillförlitliga instrument för kontinuerlig mätning över längre mät- sträckor, exempelvis breda rökgaskanaler, med funktion att ge larm vid uppträdande av partiklar över viss storlek eller inom visst storleksområde saknas. Dessutom är det önskvärt med instrument som har en högre känslig- het för större än för mindre partiklar i vissa tillämpningar, som i exem- pelvis denna uppfinnings applikationsområde. Här krävs ej ett generellt partikelmätinstrument, utan en anordning som kan ge larm vid för höga hal- ter av i sammanhanget relativt stora partiklar.

Det existerar en mängd instrument för partikelmätning av olika slag, men inte något känt med det starka storleksberoende som krävs av instrument i denna uppfinning. Vad som söks är en anordning där den elektriska utsigna- ' len från denna är beroende av uppträdande partikeldiametrar med minst en faktor diametern upphöjt till 6. Anledningen härtill är att erosivitetens beroende av partikeldiametrar i en gasturbin följer ungefär detta funk- tionssamband, dvs i vilken grad förslitningen av gasturbinens komponenter beror av genomströmmande partiklars storlekar.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Gasturbiner kan användas för att utvinna restenergi ur rökgaser vid kraft- anläggningar eldade med fasta bränslen. För att snabbt kunna konstatera om partiklar som verkar eroderande på turbinerna börjar uppträda i rökgaserna har ett instrument framtagits. Detta instrument skall varna när större partiklar över viss storlek eller inom visst storleksintervall detekteras.

Den uppmätta ljuseffekten i en enda detektorring är en funktion av en ljusspridande partikels diameter enligt formeln ovan. I princip skulle en ring i sig vara tillräcklig för att ge information om den analyserade partikelns storlek. Problemet är att det är omöjligt att avgöra om den uppmätta ljuseffekten härrör från en enda större partikel eller från många smärre stoftkorn som var och en sprider ljus och samverkar till det upp- mätta värdet på ljuseffekten. - 5 465 538 När uppmätt effekt pà ljuset som faller på olika detektorringar omvandlas till elektriska signaler har man vid prov kunnat konstatera att skillnaden i signalnivå mellan utsignalerna från två detektorringar med olika stora diametrar ger en skillnadssignal, som växer snabbare än signalnivån hos en enda detektorring vid registrerade ökande partikelstorlekar. Närmare studium av skillnadssignalen ger vid handen att denna signal beror av partikelstorleken över ett vidsträckt storleksintervall med en faktor d upphöjt till 6. Detta är ett tidigare ej omnämnt förhållande.

Att skillnadssignalen_uppför sig sålunda beror på att i uttrycket för ljuseffekten kommer dominerande termer i beroende av partikeldiametrar av fjärde ordningen att subtraheras bort. Besselfunktionen J0(x) i ljus- effektformeln ovan kan utvecklas i en jämn potensserie, se exempelvis Handbook of Mathematical Functions, National Bureau of Standards, 1964, avsnitt 9.4, med följande utseende Jon) = A + Bxz + ox" + där A, B, C är konstanter medan Besselfunktionen J1(x) har en udda potensserieutveckling enligt J1(x) = Dx + EX3 + Fx5 + ... där D. E, F är konstanter I formeln för den mottagna ljuseffekten ingår Besselfunktionerna som kvadratiska faktorer, varför en potensserieutveckling av den mottagna ljuseffekten innehåller enbart jämna kvadrater på argumentet och kan efter förenkling skrivas som P1 = Aldq + B1d6 + C1d8 + ... där P är ljuseffekt d är partikeldiameter A1, Bl, Cl osv konstanter för en första detektorring, förutsatt att ljusvåglängden och instrumentets g geometri betraktas som fixa. För en andra-detektorring kan den mottagna '4e5 sas 6 ljuseffekten skrivas du + B2d6 + C d8 + ...

P2 = A 2 2 För bland annat de partikelstorlekar som är aktuella i rökgaser gäller att varje föregående term är mycket större till sitt belopp än den efterfölj- ande termen. Ljuseffektvärdet P1 domineras alltså av termen Alda och ljus- (to effektvärdet för den andra detektorringen P2 av termen Azdu. Om detektor- ringarna utformas så att alla delfaktorer i konstanterna Al och A2 påver- kas att göra A1 och A2 lika, så kommer skillnaden i mottagen ljuseffekt att bli 8 _ 6 P1 - P2 _ (Bl - BZ)-a + (cl c -d + .,. 2) där den första termen (Bl - BZ)-d6 är dominerande och därav följer att Pl - P2 är i det närmaste proportionell mot d6, vilket är det sökta _ - storleksberoendet. Proportionaliteten är mycket svår att verifiera kvantitativt, men stöds av experimentella utvärderingar.

Den bildade skillnadssignalen från de två detektorringarna med värdet P1 - P2 är beroende av både partiklarnas totalantal och storleksfördelning på ett sätt som gör skillnadssignalens mätvärde till ett gott mått på F partiklarnas sammanlagda erosivitet i exempelvis en gasturbin. För vissa ändamål kan det finnas behov av ett mått pà enbart partiklarnas storleks- fördelning oberoende av totalantalet partiklar inom mätvolymen. Som framgår av effektformelns utseende ovan kommer beroendet av partikeltät- heten N inom mätvolymens längd L att försvinna vid en division av skill- nadssignalen P1 - P2 med en av absolutsignalerna t ex P1. Resultatet " kommer då att bli ett ungefärligt mått på medelvolymen hos partiklarna. _\.1 Uppfinningen baseras delvis på känd teknik. En laser är anbringad vid sidan av en rökgaskanal. Strålen från lasern passerar en fönsterförsedd öppning in i rökgaskanalen, förlöper vinkelrätt mot rökgasströmmen och 7 465 538 fortsätter vid rökgaskanalens andra sidoyta ut genom en likaledes fönster- försedd öppning i kanalen. Ljuset träffar därefter en lins försedd med en liten snedställd spegel framtill i centrum. Spegeln vinklar ut den kon- centrerade, obrutna laserstrålen àt sidan, medan linsen fokuserar av stoftpartiklarna avböjt ljus till en platta försedd med fotokänsliga dioder, med uppgift att detektera infallande ljuseffekter hos det på dioderna fallande ljuset. Om stoftpartiklar hamnar i strålens väg kommer ljus att avlänkas från laserns optiska axel. Ljusdiffraktion uppträder med de ovan beskrivna ljusringarna fallande på detektorplattan. Mätning sker i ett mycket begränsat urval av dessa ljusringar samtidigt genom att de fotokänsliga dioderna placerats ringformigt på plattan i endast några av de lägen där de ljusringar eller delar av de ljusringar, vars ljuseffekt önskas registrerad faller på respektive detektorring. Ljuseffekten i de valda ljusringarna registreras och omvandlas till elektriska signaler, vilka förs vidare till en elektronisk utrustning för signalbehandling, exempelvis en dator. Denna utrustning levererar en skillnadssignal, som härrör från skillnader i ljuseffekt hos det ljus som faller på respektive detektorring. Skillnadssignalen styr sedan instrument, som ger konkret besked om rökgaspartiklarnas sammanlagda erosivitet.

TEKNISKA FÖRDELAR Det nya i denna uppfinning är att mätning sker i enbart ett fåtal detek- torringar, vilket kan åstadkommas med utnyttjande av skillnadssignal en- ligt ovan. Den använda metoden ger en snabb upplysning om förekomsten av sökt partikelstorlek. Den utnyttjar relativt enkla komponenter, blir där- för jämförelsevis billig och är enkel att handha jämfört med övriga på marknaden förekommande utrustningar. Genom begränsningen till ett fåtal detektorringar kan de användbara mätsträckorna för instrumentet göras flera gånger längre än vad som är tekniskt och ekonomiskt rimligt med tidigare metoder.

RITNINGSFIGURER Figur 1 visar sambandet mellan registrerad ljuseffekt som funktion av partikeldiameter dels för en detektorring dels för skillnadseffekten från parvisa detektorringar, allt visat i logaritmisk skala. "4e5 338 Figur 2 åskådliggör kurvor som visar sambandet mellan mottagen ljuseffekt och funktion av partikelstorlek för två detektorringar med olika diameter men med samma area.

Figur 3 visar en schematisk uppställning av samtliga i mätanordningen in- f! gående komponenter. Dessutom framställs även ljusets väg genom enheterna.

Figur 4 visar en uppställning av mätanordningen, där uteffekten från lasern mäts på ett alternativt sätt.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Genom att göra datorberäkningar på ett urval smala detektorringar med hjälp av effektekvationen ovan för ett stort antal partikelstorlekar har kurvor som visar mottagen ljuseffekt som funktion av partikeldiameter kun- nat erhållas. I figur 1 visas de resulterande kurvorna. Ur dessa kurvor kan härledas att avläst ljuseffekt för en ensam detektorring domineras av ett beroende av partikeldiameterns fjärde dignitet. Skillnaden i ljus- effekt mellan två dektorringar varierar dock med en dominerande term som beror av partikeldiameterns sjätte dignitet.

Den huvudprincip som utnyttjas i denna uppfinning förklaras i figur 2. Där framgår tydligt hur ljuseffekten ökar med partikelstorleken för varje enskild detektorring. Ett än större storleksberoende har som synes den skillnad som uppstår mellan avlästa ljuseffekter för de två detektor- ringarna med ökande storlek hos de ljusspridande partiklarna. Genom konstruktion av ett instrument som avläser denna skillnad i ljuseffekter kan en kontinuerlig övervakning av partikelstorlekar i det strömmande mediet uppnås.

En föredragen utföringsform av en anordning för detektering av icke önskade partiklar i rökgaser skall beskrivas med hänvisning till figur 3.

Ljuset från en laser 1 träffar först ett spatialfilter med stràlexpander 2, som vidgar strålen och fokuserar denna på ett önskat avstånd bortom rökgaskanalens bortre kant, där strålen passerar ut från kanalen genom ett fönster 3. Ett strålstopp 4 är anbragt vid centrum av fönster 3, alterna- tivt vid centrum av linsen 6, för att föra bort det centrala ljusknippet.

Strålstoppet är utformat som en spegel. vilken vinklar ut strålen för vidare analys. En ljusspridande stoftpartikel 5 divergerar de strålar som 9 465 338 faller på denna. Det spridda ljuset uppsamlas i en akromatisk dubbellins 6, passerar ett interferensfilter 7 och belyser därefter detektorringarna.

De alstrade signalerna förs vidare till elektronik 9 för bildande av en skillnadssignal, vilken ger uppgift om partikelstorlek.

Det något snedställda fönstret 10 på lasersidan, antireflexbehandlat en- bart på rökgassidan, reflekterar ljus till ett gråfilter 11, som avlägsnar 99 X av det infallande ljuset. Efter passage av ett interferensfilter 12 får detta ljus falla på en detektor 13, som då ger information om trans- mitterad ljuseffekt.

Smutskorn på glaset 10 kan även ge bakåtspridning. Sådant ljus uppsamlas av ett interferensfilter 14 med lins 15 och mäts med detektor 16. Här kan då eventuell nedsmutning av glaset 10 registreras. _Transmitterad ljuseffekt från lasern kan även uppmätas genom en alternativ uppställning av utrustningen enligt figur Ä. En stråldelare 21 i form av ett tunt glasfönster placeras i laserstrålens väg i 450 vinkel mot denna.

Reflexen från fönstret vars ena sida är antireflexbehandlat får falla på en fotodetektor 22, vilken då ger information om laserns optiska uteffekt.

I detta fall placeras stråldelaren före spatialfiltret 2 varvid eventuella störningar på laserljuset från det snedställda glaset i stråldelaren kan filtreras bort innan det tillåts penetrera mätvolymen. Med detta förfar- ande vinns två fördelar, dels blir det inte nödvändigt att snedställa fönstret 10 närmast mätvolymen för att erhålla lämpligt sidoreflekterat ljus, dels kan fönstret 10 avlägsnas med bibehållen kontroll över den optiska uteffekten. För övrigt kan ett snedställt fönster 10 inverka negativt på laserljuset genom mätvolymen.

Den koncentrerade ljusstråle som vinklats ut av strålstoppet 4 får först träffa ett snedställt gråfilter 17, som reflekterar en liten och varierbar del ljus till en fiberoptisk kabel 18. Ljuset från fiberoptiken 18 åter- förs till en av detektorringarna 8, för att ge båda dessa ringar lika mängd bakgrundsljus. Det ljus som genomtränger gråfilter 17 belyser efter passage av ett interferensfilter 19 en kvadrantdektor 20. För att dämpa ljuseffekten och anpassa denna till fotodioderna i detektor 20 har grå- filtret bortfiltrerat 99,9 % av urprungsljuset. Detektorn 20 ger besked om transmitterad effekt i kombination med detektor 13, alternativt detektor 22. Bristfällig centrering och linjering kan utläsas med detektor 20. '4es sas N Kalibrering av mätutrustningen utföres med hjälp av kalibreringsglas som placeras på ett bestämt avstånd framför linsen, exempelvis vid siffran 5, i figur 3. Varje kalibreringsglas har belagts med partiklar av en bestämd storlek. Detta har àstadkommits genom att identiska partiklar med känd storlek, uppslammade i en vätska, droppas ut på glasskivor. Fyra eller fem olika storlekar av partiklar som väl täcker mätområdet är lämpligt att ut- nyttja. Kalibreringsglasen placeras i hållare. Då specifika kalibrerings- 1A". glas med kända partikelstorlekar placeras i laserstrålen trimmas mätut- rustningen in för bästa överensstämmelse mellan uppmätta värden och de kända partikelstorlekarna på varje kalibreringsglas.

I stället för med de nämnda komponenterna kan instrumentet naturligtvis realiseras på en mängd alternativa sätt. Gråfilter kan ersättas med en beam-splitter, en halvgenomskinlig spegel m m. Som alternativ till fiber- optisk kabel kan speglar användas, andra ljuskällor än laser kan utnytt- jas, lika väl som det är möjligt att ersätta fotodioder med andra ljus- känsliga element, som till exempel fotomultiplikatorer.

För att öka tillförlitligheten hos instrumentet kan naturligtvis fler än ett par dektorringar byggas in. Skillnadssignalen från exempelvis olika par av detektorringar kan styra elektronikenheter var för sig, varvid dessas utsignaler kan jämföras eller sammanvägas.

Anordningen kan med vederbörliga justeringar komma till användning även i andra applikationer än den redovisade, exempelvis vid detektering av upp- slammade partiklar 1 vätskor eller i andra sammanhang där motsvarande när- varo av stoftpartiklar önskas övervakad.

Genom anpassning av detektorringarnas diametrar och utförandet på den signalbehandlande elektroniken kan detektering av önskade partikelstor- lekar ske.

(I

Claims (6)

in 465 338 PATENTKRAV

1. Sätt för detektering av partiklar (5) i strömmande medier genom användning av en laser (1), vars ljus är anordnat att genomfara en kanal genomfluten av ett medium och att detektorringar (8) är inrättade att registrera ljuseffekt i ljusringar som uppkommer när laserljus träffar nämnda detektorringar (8) på grund av ljusdiffraktion som uppträder när ljus från lasern avböjs av i mediet närvarande partiklar (5) k ä n n e - t e c k n a t av att skillnaden mellan uppmätta ljuseffektvärden hos två detektorringar (8) är anordnad att bestämmas och att därvid erhållen skillnadssignal är avsedd att utgöra ett mått på partikelstorleksfördel- ning i det nämnda mediet.

2. Anordning för genomförande av sättet att detektera partiklar i strömmande medier enligt patentkrav 1 innefattande en laser (1) med spatialfilter och strålexpander (2) ett strålstopp (4) monterat i centrum av ett optiskt fönster (3) eller en lins (6) följt av ett interferensfilter (7) och detektorplatta (8) ett fönster (10) med interferensfilter (11), lins (12) och detektor (13) ett interferensfilter (14), lins (15) och detektor (16) ett snedställt gråfilter (17) med glasfiberoptisk ledning (18), inter- ferensfilter (19) och detektor (20) k ä n n e t e c k n a d av att detektorplattan (8) innefattar ett antal ljuskänsliga element på en platta ordnade i ett tillräckligt minsta antal av 2 koncentriska ringar, eller i symmetriskt belägna delar av koncent- riska ringar, sålunda utgörande åtskilda mätelement för ljuseffekt hos ljusringar fallande på plattan (8) på de ringar eller delar av ringar där ljuskänsliga element monterats och att dessa ljusregistrerande ringar eller delar av ringar levererar mätvärden till elektroniska enheter (9), där minst en skillnadssignal som kan relateras till sökt mått på partikel- storleksfördelningen skapas, och att skillnadssignalen utgörs av en be- loppsskillnad mellan ljuseffektmätvärden från ett par ljusregistrerande ringar. 465 sas R

3. Anordning enligt patentkrav 2 k ä n n e t e c k n a d av att fram- för fotodetektorn anbringats ett strålstopp (4) i form av en snedställd spegel framför centrum av en akromatisk dubbellins (6), att vid sidan av strålstoppet (4) i ljusets väg är anbringat ett snedställt gråfilter (17) som reflekterar en viss del ljus till en fiberoptisk kabel (18), och att den fiberoptiska kabeln (18) överför en liten del ljus från ursprungliga ljusstrålen till detektorplattan (8).

4. U. Anordning enligt patentkrav 2 k ä n n e t e c k n a d av att ljus- effektskillnaden mellan mätvärdena från parvisa ljusdetekterande ringar eller delar av ringar på detektorplattan (8) divideras med mätvärdet från en av dessa i paret ingående ljusregistrerande ringar i en elektronisk enhet (9) vars kvotsignal omvandlas till ett ungefärligt mått på den geometriska medelvolymen hos partiklarna i mätvolymen hos det strömmande mediet.

5. Anordning enligt patentkrav 2 k ä n n e t e c k n a d av att laserns optiska uteffekt mäts och styrs med hjälp av en stràldelare, placerad mellan laser (1) och spatialfilter (2), i form av en snedställd transparent skiva (21) som reflekterar ljus till en ljuseffektregistrer- ande enhet (22) vid sidan av strålen.

6. Anordning enligt patentkrav 2 k ä n n e t e c k n a d av att anord- ningen kalibreras med hjälp av att glasskivor belagda med partiklar med känd storlek placeras i laserstrålens väg och därvid initierar förväntade signaler till elektroniska enheterna (9). IJ)