SE502148C2 - Anordning för mätning av mängden fast substans i ett fluidum med ljus - Google Patents

Description

502 148 2 10 15 20 25 30 35 den detekterade energin drastiskt minskar vid högre koncentrationen För att erhålla rimliga mätvärdessignaler är det därför nödvändigt med höga energier och korta utsända pulser med långa mellanrum för att inte överbelasta IR-diodema.

Det exponentiella förhållandet ger även upphov till sådana följdproblem som att detektorsignalen måste efterbehandlas för att erhålla en linjärt varierande signal.

Transrnissionstekniken och den exponentiellt avtagande detekterade energin i förhållande till koncentrationen leder till att mätanordningen oftast ej kan sättas in direkt i processen för att avståndet mellan sändare/detektor och/eller koncentrationen skulle bli så stor att inget ljus skulle transmitteras. Detta är löst genom att som i patent 453 015 ta ut en delström och tvinga denna genom ett rör med definierad diameter och sändare/ detektor placerade mitt emot varandra, vilket ger en “tvådimensionell rnätriing". Detta leder till omfattande konstmktioner av rörverk för att avleda en delström för mätning.

Nackdelar i form av signaler som ej är relaterade till koncentrationen såsom reflektions- störningar, IR-diodernas temperaturberoende för ljusutbytet, avlagringar på sensorema osv., d.v.s. brus, är svårt att kompensera för med den kända, tvådimensionella transmissionstekniken. I patentet 453 015 är en referensanordning beskriven vilken består av referensmätorgan vilka står i värmeledande kontakt med röret for vätskans matning och är tänkt att kompensera för lR-diodernas temperaturberoende och övriga komponenter i systemet samt för eventuellt inkommande ströljus. Dessa referensmät- organ mäter inte över vätskan utan över en hindersfii bana inom anordningens hölje.

Patentet EP-96 696 tillhandahåller en anordning för direktmätning av fukthalten i ett givet material genom att istället för transmissionsmätning detektera reflektionen, âterspridningen, av Ill-strålning från materialet med interferensfilter framför detektorerna för att separera de relevanta våglängder som skall analyseras, och som är beroende av materialet som mätes. Även här finns en justeringsanordning för att kompensera för IR-diodemas temperaturberoende.

Svårighetema med den kända tekniken ger begränsningar i mätområdena vilket gör att mätanordningar enligt teknikens ståndpunkt endast mäter inom ett relativt snävt mätornråde vilka de är specifikt utformade för. Trots förfinad elektronik, bättre ljusemitterare och -mottagare och referensanordningar kvarstår dock de grundläggande problemen med den kända tekniken. 10 15 20 25 30 35 så so2s14s Redogörelse för upgfinningen Föreliggande uppfinnings uppgiñ är att ta tillvara de fördelar som pulsat ljus har för mätning av mängden fast substans samt att avlägsna de nackdelar som föreligger med teknikens ståndpunkt.

När en irradians, d.v.s. strålningen från en ljuskälla, inkluderande även infrarött och ultraviolett, trälïar en partikel absorperas en del energi, hur mycket bestäms av absorptionskoeñicienten och är våglängdsberoende enligt ovan. Denna absorption ger upphov till en spektralforskjutning mot längre våglängder på den spektrala skalan där våglängder med högre frekvens förskjuts mer på den spektrala skalan än våglängder med lägre frekvens. Den radians som reflekteras från partikeln och fångas i detektorn är alltså spektralt forskjuten i förhållande till infallande radians.

Om två eller flera ljuspulser med olika selektiva våglängder sändes, erhålles spektral- förskjutningar och skillnaden mellan dessa ger upphov till så kallade spektralkontraster.

Denna proportionella ändring som orsakas av den spektrala forskjutningen kan användas för att erhålla ett mätvärde på koncentrationen. Förskjutningen är olika stor för våglängdema och kontrasten är en direkt funktion av massan. När massan ändras kommer kontrasten att ändras direkt proportionellt mot massan.

Genom att förse en mätsond med exempelvis fyra sändare, en i vardera armen på ett kors med samma avstånd från korsets mitt och företrädesvis samma delning, och sammankoppla de motstånde sändarna så att de samtidigt sänder en ljuspuls med formen av en strålningslob med en bestämd våglängd för vardera paret, där en av de använda våglängderna utgör referens, (här benärnnda k, respektive ky), erhålles en belysning av partiklarna av ljus med två våglängder med en viss vridning till varandra. Pulsema från de två paren sändes efter varandra med mycket kort mellanrum. En "tredimensionell" belysning av partiklarna erhålles från detta kors, här benämnt k-kors. Sonden kan dock utrustas med fler par motstående sändare som sänder med ytterligare våglängder som är skilda från de andra våglängderna, för att erhålla ytterligare information från mediet som mätes, såsom t.ex. mängden partiklar som understiger en viss storlek etc. En av de använda våglängderna utgör även här referens. Dock kvarhålles X-korsets konfiguration genom att sändarna placeras på ytterligare armar med sarnma avstånd från korsets mitt och företrädesvis med samma delning.

En detektor är placerad företrädesvis i korsets mitt för detektering av ljuset med två eller fler våglängder som reflekteras från partiklarna. 502 148 4 10 15 20 25 30 35 Kontrasten som härmed bildas p. g.a. den spektrala skillnaden mellan de typiskt valda våglängdema bildar utsignalen som firnlction av irradiation och pulskvoten (kontrasten) Äx - hy (eller sändare minus referens). Mätvärdet är summan/integralen av den totala kontrasten som faller på detektom. I detta mätvärde finns den spektrala skillnaden mellan de två våglängdema plus ovidkommande signaler, dvs. brus.

Men genom att bruset är kopplat till båda pulssvaren och detta är oberoende av våglängder, d.v.s. lika stort för båda pulssvaren, kan detta brus enkelt sorteras bort med hjälp av en differentiator, och kvar blir endast spektralkontrasten som är en direkt funktion av massan. Mätanordningen kräver alltså inga extra referens- och kompen- seringsanordningar och detektorsignalen efter filtrering är linjär.

En stor fördel med den föreslagna metoden är att signalen som detekteras av detektom är digitaliserad redan i mätpunkten vilket ger mättekniska fördelar.

Genom denna mätmetod erhålles ett mycket tillförlitligare mätresultat genom att alla ovidkommande signaler och stömingar enkelt kan sorteras bort och ett mycket enklare mätförfarande utan extra åtgärder, men framför allt att mätornrådet kan breddas avsevärt och i princip endast begränsas av om rnätsonden kan föras ner i mediet som skall mätas.

F öredragen gtfgringsfonn Mätanordningen enligt föreliggande uppfinning kommer att beskrivas i detalj nedan i samband med en föredragen utföringsforrn och med hänvisning till bifogade ritningar, där figur 1 visar en vy i perspektiv av sonden till en föredragen utföringsform; figur 2 visar det så kallade Ä-korset med två par givare och de så kallade strålningslobema som ljuspulserrta från givarna ger upphov till; figur 3 visar principen för mätanordningen samt pulsgeneratom och dekoderrr/ditferentiatorn som synkroniseras av pulsgeneratom; figur 4 visar spektralkontrastens uppkomst vid sändande av två skilda våglängder; figur 5 visar pulsemas förhållande i tiden och mottagarens svar på de utsända pulsema.

Mätanordningen enligt föreliggande uppfinning omfattar en sond (1) som vid en föredragen uttöringsfonn enligt figur 1 består av ett skyddshölie (2) i form av ett rör. I ena änden på röret (2) sitter en refraktor (3) av exempelvis PTFE. På refraktom (3) är 10 15 20 25 30 35 s 502 '148 sedan en kropp (4) av glas, PTFE eller annat ljusgenomsläppligt material monterad, som är utformad spetsig, avrundad, asfärisk eller droppforrnad for att ej ge upphov till turbulens runt änden på sonden, och for att minska dess strömningsmotstånd. Bryt- ningsindex mellan kroppen (4) och vatten är nära noll vilket gör att ljus från kroppen (4) bryts mycket lite och i stort sett kommer att belysa partiklar rakt frarnfor sonden (l), Fem stycken fiberoptiska ledare i den föredragna utforingsforrnen, fyra stycken for sändarna (SX, Sy) och en for detektom (Do), ar parallellt dragna och inneslutna i skyddshöljet (1). De fiberoptiska ledarna är dragna genom refiaktom (2) och slutar i skiktet mellan refraktom (3) och kroppen (4). Då sändarna och deras fiberoptiska ledare respektive bildar en enhet har de for enkelhetens skull samma benämning i figurema.

Som synes i figur 1 och 2 är ledarna for sändarna (SX, Sy) placerade i vardera armen på ett kors, "k-kors", sett underifrån på sonden (1) med ledaren for detektorn (Do) placerad i korsets skärningspunkt.

Ledama for sändarna (SX, Sy) är i den andra änden kopplade till fyra lysdioder.

Lysdiodema är så valda och triggade att de i k-korset motstående diodema sänder med samma våglängd samtidigt, våglängderna valda inom våglängdsområdet IR-UV, d.v.s. lysdioderna sänder parvis ljus i två "plan" med en viss specifik våglängd som skiljer sig från det andra paret lysdioder och vridet foreträdsevis 90°, men även andra delningar är möjliga. I figur 2 syns hur pulsema från vardera paret bildar en strålningslob for att belysa partiklarna frarnför sonden (1). Lysdioderna är anslutna till en pulsgenerator av känt slag och triggas så att de två diodparen omväxlande sänder ljuspulser med kort mellanrum efizer varandra.

Funktionen är som foljer. Klockfrekvensen som hela elektroniken arbetar med triggar via pulsgeneratom diodema SX så att de sänder en ljuspuls, i storleksordningen 50- 100 us, med våglängden kX över de två fiberoptiska ledarna SX vilket belyser vätskans partiklar framför sonden med demia våglängd. Ett mycket kort ögonblick senare triggas diodema Sy så att dessa sänder en ljuspuls med våglängden ky (i kX) över de två fiberoptiska ledama Sy vilket belyser partiklama med denna våglängd. Partildarria i vätskan kommer alltså att belysas med korta ljuspulser efter varandra med två olika våglängder vridna företrädesvis 90°, ett slags korsmodulering.

I figur 4 visas spektralkontrasten som härmed uppstår p. g.a. den spektrala skillnaden mellan de två typiskt valda våglängderna då våglängden kX med högre frekvens förskjuts mer på den spektrala skalan än ky med lägre frekvens. Summan av 502 148 6 10 15 20 25 30 35 spektralkontrasten är skillnaden mellan de två väglängdemas förskjutning: ifaxx-Axy.

Detektom (Do) som företrädesvis är placerad i l-korsets mitt registerar denna kontrast.

Mätvärdet är summan av den totala kontrasten som faller på detektom. I detta mätvärde finns den spektrala skillnaden mellan de två våglängdema plus ovidkommande signaler, d.v.s. brus. Men genom att bruset så att säga finns kopplat till båda pulssvaren och detta är oberoende av våglänger, d.v.s. lika stort för båda pulssvaren, kan bruset genom arrangemanget i figur 3 med en avkodare och difierentiator av känt slag i synkronisering med sändarpulsema enkelt sorteras bort från detektorsignalen och kvar är endast spektralkontrasten som är en direkt funktion av massan. När massan ändras kommer kontrasten att ändras direkt proportionellt mot massan. Man kan säga att man erhåller en signal-sampling i den optiska detektorledaren genom de inkommande pulstågen av spektralkontraster.

I figur 5 visas pulsemas tidsberoende till varandra för de två givarparen och detektoms svar fiån det ljus som har reflekterats fijån partiklarna i vätskan. En viss kompensation av luminans och chroma kan göras genom att förlänga den ena ljuspulsen tidsmässigt och förkorta den andra motsvarande mycket.

Mätptincipen är inte begränsad till endast två sändarpar och två våglängder, utan kan utökas med ytterligare sändarpar som sänder med en specifik våglängd skild från de andra sändarnas våglängder för att exempelvis via spektralkontrasten mäta andelen partiklar understigande en viss storlek etc. Mätprincipen har även den fördelen att den täcker ett mycket stort mätområde från några ppm upp till mätning av fiikthalt med samma anordning vilket väsentligen ökar mät- och applikationsområden gentemot den kända tekniken som var och en arbetar inom ett visst mätområde och för en specifik applikation. Mätprincipen ger även den fördelen att signalen som detektorn detekterar direkt är digital vilket ger stora mättekniska fördelar och att utsignalen efter filtrering är linjär.

Av det ovan beskrivna skall förstås att mätprincipen ej är begränsad' till vätskor utan även kan appliceras till andra medier.

Av det som framställts framgår att uppfinningen ej får anses vara begränsad till den ovan beskrivna och på ritningama visade föredragna utföringsformen utan kan vara föremål för olika modifieringar inom ramen för vad som anges av efterföljande patentkrav.

Claims (12)

10 15 20 25 30 35 7 502 '148 PATENTKRAV

1. l. Anordning for mätning av mängden fast substans i ett fluidum med ljus, varvid i begreppet ljus även inkluderas infrarött och ultraviolett k ä n n e t e c k n a d av att den är utrustad med åtminstone två par ljussändare (SX, Sy) anordnade korsvis samt j åtminstone en detektor (Do), och att sändama i respektive sändarpar är anordnade att parvis sända pulser av koherent ljus, d.v.s. ljuspulser med samma våglängd, medan sändarparens ljusvåglängder är skilda från varandra.

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av medel for att sända ljuspulsema från sändarparen efter varandra med kort tidsmellanrum.

3. Anordning enligt något av kraven 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att vardera sändaren innefattar en ljuskälla anordnad for att avge koherent ljus i pulser samt en fiberoptisk ledare.

4. Anordning enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att den räta linje som förenar sändarledarnas ändar i ett sändarpar och den räta linje som förenar sändarledamas ändar i i åtminstone ett andra sändarpar bildar ett kors (k-kors), i vilket linjerna skär varandra under en definierad vinkel.

5. Anordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av att vinklarna med vilket linjema skär varandra i nämnda Ä-kors är lika stora.

6. Anordning enligt något av kraven 1-5, k ä n n e t e c k n a d av att detektorn är placerad i korsets skärningspunkt.

7. Anordning enligt något av kraven 1-5, k ä n n e t e c k n a d av att de fiberoptiska ledama inom åtrninstone ett avslutande parti (3) sträcker sig parallellt med varandra genom en sond (1) avsedd att placeras i den vätska vars mängd fast substans skall mätas.

8. Anordning enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d av att de fiberoptiska ledarna tillhörande respektive sändare inom området for nämnda avslutande parti bildar plan, vilka skär varandra under en definierad vinkel, vilka plan sammanfaller med nämnda Ä- kors. 502 148 s 10

9. Anordning enligt något av kraven 7-8, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda parti av sonden utgörs av en refraktor (3).

10. Anordning enligt något av kraven 3-9, k ä n n et e c k n a d av att de fiberoptiska sändarledainas ändar i nämnda sond bildar ett plan och att ändarna täcks av en ljusgenomsläpplig kropp.

11. Anordning enligt något av kraven 7-10, k ä n n e t e c k n a d av att även detektom innefattar en fiberoptisk ledare, och att dennas ände vid sonden ligger i samma plan som sändarledarnas ändar i sonden.

12. Anordning enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda kropp (4) är spetsig, avmndad, asfaiisk eller droppfonnad för att minska sondens strömningsmotstând.