SE533936C2 - Anordning för mätning av koncentration och egenskaper hos partiklar i en fluid samt en metod därav - Google Patents

Description

533 936 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.

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

Kortfattad beskrivning av uppfinningen Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en alternativ lösning på problemet med att mäta koncentrationen av partiklar i en fluid, såsom massasuspension. Ett annat 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 irmefattar: en ljusenhet anordnad att tillhandahålla en första ljuspuls in i en mätcell innehållande nämnda fluid; och en absorbent anordnad i anslutning till nämnda mätcell och ansluten till en måtenhet, varvid nämnda mätenhet är anordnad att mäta signaler som når nämnda absorbent.

Nämnda anordning innefattar vidare en seniitransparent absorbent genom vilken nämnda första ljuspuls passerar när den går in i nämnda mätcell så att nämnda 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 nämnda absorbent.

Olika utiöringsformer av anordningen ovan beskrivs i de osjälvständiga patentkraven 2-11.

Enligt en annan aspekt av uppfmningen uppnås även ändamålen 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 semitrarisparent absorbent in i nämnda fluid i en mätcell 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 som genereras när nämnda andra ljuspuls träffar en absorbent anordnad i anslutning till nämnda mätcell; mätande av ett andra akustiskt eko som genereras när nämnda fotoakusfiska ljudvåg träffar nämnda absorbent; och bestämning av koncentration och egenskaper hos partiklar i nämnda fluid baserad på åtminstone nämnda första och andra akustiska ekon. 533 936 Olika utföringsformer av metoden ovan beskrivs i de osjälvständiga patentkraven 15-18.

Vidare, enligt en ytterligare aspekt av uppfinningen uppnås ändamålen även med ett system för styrning och/eller övervakning av en tillverkningsprocess, 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 egenskapema hos nämnda partiklar.

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

Föreliggande uppfmning tillhandahåller en snabb och noggrann lösning på problemet att mäta koncentrationen av partiklar i en fluid samt egenskaperna hos partiklarna. Exempelvis, i en fluid, såsom massasuspension, kan uppfmningen användas för att bestämma både den totala koncentrationen, så väl som proportionerna, i absoluta tal, av fiber och finmaterial.

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

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

Dessutom innebär några av de tidigare kända tekniska lösningarna att icke-linj äriteter introduceras i mätningar som väsentligen kan sänka prestanda i termer av exakt bestänming av koncentration. Föreliggande uppfinning tillhandahåller exponentiellt minskande signalarnplitud med ökande koncentration av absorberande/spridande material i en mätcell.

Detta är fördelaktigt ur ett systembyggnadsperspektiv. 533 936 Ytterligare fördelar och tillämpningar av föreliggande uppfinning kommer att framgå av följande detaljerade beskrivning av uppfimiingen.

Kortfattad figurbeskrivning De bifogade figurema är avsedda att förtydliga och förklara föreliggande uppfinning där: - figur 1 schematiskt visar en utföringsform av en anordning enligt uppfinningen, - figur 2 visar ett exempel på amplítuden för tre uppmätta fotoakustiska ekon som funktion av tid; - figur 3 schematiskt visar en anordning enligt uppfinningen visad som ett flertal olika lager; I - 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 Uppfmningen är bland annat baserad på principen om den optoakustiska eller fotoaklrstiska 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 absorptíonen 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 ljuspuls riktas mot materialet. Detta kommer att skapa en snabb lokal uppvärmning, vilken via en termoelastisk konversionsprocess skapar en kompressionsvåg- dekompressionsvåg, hädanefter betecknad som en fotoakiistisk ljudvåg. Denna fotoaklistiska ljudvág skapad via den tennoelastiska 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 533 936 följande beskrivning i allmänhet avse de ovan beskrivna fibrema och finmaterialet i en massasuspension. Det inses dock av fackmarmen att föreliggande uppfinning är tillämplig på fluider i allmänhet innehållande partiklar av olika slag.

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

Dessutom innefattar enheten 10 även en serninansparent absorbent 6 genom vilket ljuset passerar väsentligen vinkelrätt in den fluid som finns i mätcellen 3, dvs. ljuspulsen går in i rnätcellen 3 genom den semitransparenta absorbenten 6. Den semitransparenta absorbenten 6 är inrättad på ett sådant sätt att en del av den ljuspuls som passerar genom den sernitransparenta 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 sernitransparenta 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 ljuspulsen propagerar. Vid absorbenten 4 kommer ljuspulsen att absorberas därigenom skapa en fotoakustisk ljudvåg, 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. Signalerna (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 1 kommer att ha maximal amplitud i rent vatten, och därefter kommer amplituden för det fotoakustiska ekotE1 att minska (exponentiellt) då 533 936 volymkoncentrationen av spridande/absorberande material ökar i suspensionen. Därför kommer amplituden för det första fotoakustiska ekot E 1 att vara direkt proportionellt mot mängden ljusabsorption/spridning i suspensionen.

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

Vid absorbenten 4 kommer en del av ljudvágen 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 iiltraljudssensom. Det andra fotoakustiska ekot E; kommer att vara proportionellt mot ljuddämpningen i suspensionen. Detta då eventuella bidrag försumrnas fiån 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 alcustiskt eko E; användas, vilket är resultatet av när en del av ljudvågen reflekteras vid absorbenten 4 och färdas tillbaka genom suspensionen och reflekteras vid den sernitransparenta 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; Figur 2 visar en exempel där arnplituderna för ett första E 1, andra E; och tredje E; ljudeko fångas av en mätenhet 5, och efter Signalbehandling visas i ett diagram. I exemplet i figur 2, visas amplitudema för de första El, andra E; och tredje E; ljudekona som en funktion av tiden.

Enligt en annan utföringsform av uppfinningen, innefattar den sernitrarisparenta absorbenten 6 en plastfilrn 2 monterad på ett optiskt transparent glaslager l. 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 tjockleken på plastfilmen 2, kan förhållandet mellan ljud och ljus som skickas in mätcellen 3 bestämmas. 533 936 Det kan tex. 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-brtls-förhållandet (SNR) för olika fotoakustiska ekon. I fallet då en suspension påverkas mer av ljus 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 försöksuppställriing, utgjordes plastfolie 2 av polyester med en tjocklek av 40 pm och en radie på 25 mm. För att hålla plastfilmen på plats var den monterad på ett optiskt transparent material, t.ex. ett cylindriskt kvartsglas med en tjocklek på 3 mm och en radie på 25 mm.

Enligt en ytterligare utföringsform 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 plastfilmen, Absorbenten 4 kan också skyddas på samma sätt som den sernitransparenta absorbenten 6 . Vidare, för att generera ett stort E; är det viktigt att absorbenten 4 har en hög optisk absorptionskoeflicient för den använda ljusvåglängden.

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

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

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

Ljudets dämpning påverkas av olika faktorer inklusive masskoncentratíonen av fibrer/finmaterial, fibremas geometri och fibremas elastiska egenskaper. I experiment har uppfinnama visat att ljuset påverkas mest av finmaterialet, medan ultraljudsvågor till största delen påverkas av fibrerna. 533 936 Genom att kombinera uppmätta fotoakustíska ekon (El, Eg, E 3) kan den totala koncentrationen, liksom proportionema, i absoluta tal, av fibrer och finmaterial bestämmas.

Genom att studera ultralj udsdämpningen som fimktion av fi-ekvens, kan fibennaterialets elastiska egenskaper också bestämmas.

Figur 3 visar schematískt en anordning 10 enligt uppfirmingen visad som ett flertal olika lager, vilka är. numrerade enligt tabell l nedan. lLager P I 2 3 4 |Lufi om lmasrfiim hrmumafceu) Absofbenr Tabell 1: Referensnummer för olika lager En ljuspuls genererad av en laserpulsenhet propagera: fi-ån laserpulsenheten (fi-án 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 utföringsfonn av ett glaslager 1 på vilket en plasttilm 2 är monterad. Plastfolien 2 är monterad på suspensionssidan av glaslagret l (höger sida av glaslagret i figur 3).

För vidare förståelse av egenskaperna hos de första EI, andra E; och tredje E; fotoakustíska 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 annan del av ljuspulsen, betecknad 1,4, kommer att absorberas i plastfilmslagret 2 och generera en fotoakustisk ljudvåg; och det resterande ljuset, betecknat Ir , kommer att propagera in i suspensionslagret 3, och fortsätta att propagera genom suspensionslagret 3 och träiïa absorbentlagret 4.

Första fotoakustiskt eko E 1 (optisk dämpning) Som nämnts är amplituden för det första fotoakustíska ekot E 1 proportionellt mot det ljus som träffar absorbenten 4, och kan beskrivas som, 51 = K¿I7e""*“=e'34“° (1) där K4 = omvandlingsfaktor (ljus till ljud), IT = transmitterad ljus genom plastfilmslagret 2, x; = tjockleken på fluidlagret 3 (mätcell), ag = dämpningskoefficient för ljus i fluidlagret 3, x4 = 533 936 tjockleken på det absorberande lagret 4, och ß., = dämpningskoefficienten för akustiska vågor i absorbentlagret 4. Det bör noteras att överföringen mellan absorbentlagret 4 och ultraljudsgivaren har försummats, eftersom den transmissionen räknas för alla ekon.

Andra fotoakustiskt eko E ; (ljuddämpning) Amplituden för det andra fotoakustiska ekot E; som bildas när ljuset absorberas i plastfilrnslagret 2 kan matematiskt beskrivas som, a, = 1131,, rzae-*F-rye-Fß- (2) där I; är det absorberade ljuset, ß3 och ß4 är dämpningskoetïicienter för ljudvågen i fluidlagret 3 respektive absorbentlagret 4, och T; 3 och Ty är akustiska transmissionskoefiicienter för gränssnitten mellan lagren, som beskriver andelen ljud som kommer att överföras från ett material till ett annat i gränssnittet mellan de tvâ materialen.

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

Andra fotoakustislct eko E; (optisk reflektion) När partiklar finns i mätcellen 3, kan en del av ljuset som reflekteras av partiklarna återvända till plastfilrnslagret, 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 fiber/finmateríal i en suspension, kan det andra fotoakustiska ekot E; matematiskt beskrivas som, a, = K, (:,,+1m_,)r,,e'*=9= ruerfl-*f- (3) Om Im, 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 ultraljudsdâmpningen. Emellertid om Im bidrar till att excitera den ursprungliga ljudvågen måste man använda förhållande av både det andra E; och tredje E; ekot för att få en uppskattning av ljuddämpningen.

T reqlje fotoalaastislct eko E 3 juddämpning) Det tredje fotoakustiska ekot E 3 kan matematiskt beskrivas som, ES = K2IAfl-a'5ß'TBR34R32T34fl_&:¿ 533 936 10 där förutom transmissíonskoefficienter, även innefattar reflektionskoeñícientema R 34 respektive R3;. Beträffande det tredje fotoakustiska ekot E; 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; i exponenten av exponentialfunktionen i ekvation (3). Genom att dividera det andra E; akustiska ekot med det tredje E; akustiska ekot erhålles ljuddämpningskoefficienten ß; i fluidlagr-et 3 som, -Eå = KQI¿B-E':'I3ÄÜTQ3R3¿R3QT3QO_AFQ _) #3 = i in (flzgRysz) E; Kglàrzgfl-hhrggfl-Rß* ZX; E; Absorptionskoefficíenten ß 3 kan representeras i tidsdomänen, i vilket fall amplituden för det första E 1 och andra E; ekot används. Emellertid, efiersom ljudabsorption oña är en funktion av frekvens kan FFT:en (Fast Fourier Transform) för det första E, och andra E; ekot användas istället. Alla tre fotoakustiska ekon E 1, E; Eg, 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, tex. 2-15 MHz.

För två ekon: genom mätning av en uppsättning kalibreringsmassor med känd masskoncentrationen av ñbrer och finmaterial, och med användande av statistiska metoder såsom PLS-metoden (Partial Least Squares Method), kan förhållandet mellan det första E 1 och andra E; ekot och totala masskonoentrationen samt andelen finmaterial bestämmas. PLS- metoden används för att konstruera en statistisk modell som beskriver sambandet mellan ekona E 1 och E; med den totala masskoneentrationen samt andelen fiber och finmaterial genom en uppsättning koefficienter. Koefficienterna tillsammans med nya uppmätta värden på ekona E 1 och E; används för att uppskatta den totala masskoncentrationen samt andelarna 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-regression: a basic tool of chemometrics, 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 El, andra E; och tredje E; 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. Reflektíonskoefficienterna R;3 och 1234 kan beräknas teoretiskt eller mätas genom ett förfarande beskrivit av Löfqvist T., Ultrasonic wave attenuatíon and phase velocity in a 533 936 ll paper-fibre suspension , In Proc. IEEE Ultrasonic Symp., Toronto, Canada, pp. 841-844, 1997.

De elastiska egenskapema hos fibrema beräknas med hjälp av en modell för akustisk dämpning, som härrör från grundläggande ekvationer, i en fibersuspension och anpassa parametrarna i derma modell så att de passar det teoretiskt beräknade därnpningsspektra 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 Aitomâki Y. & Löfqvist T., Estimating Suspended Fibre Material Properties by Modelling Ultrasound Attenuatiorz, i Proceedings of Intemational Conference of Mathematical Modelling of Wave Phenomena, Växjö, Sweden, 2005, och i Aitomäki Y. & Löfqvist T., Inverse Estimation of Material Properties fiom Ultrasound Attenuatíon in Fibre Suspensions, Ultrasonics, Volurne 49, Issues 4-5, May 2009, pp. 432- 43 7.

I en installation av en anordning 10 enligt uppfinningen, genererades ljuspulsen av en diodpumpad, Q-switchad laser (NL202 från EKSPLA, Vilnius, Litauen). Energin i ljuset var 327 =l= 3 pJ, och våglängden av ljuset var 1064 nm med pulslängd om 9 ns vid full halvvärdesbredd (F Wl-IM). Pulsfiekvensen 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 fångades med ett oscilloskop (Y okogawa DL9000) med en sarnplingshastighet 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 pm med samma radie av 25 mm, och storleken av mätcellen 3 var 30><30 mm. Tjockleken på det absorberande lagret 4 x., 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, 533 936 12 vilken kommer att passera genom en semitransparent absorbent 6 in i en mätcell där fluiden finns. När den första ljuspulsen passerar genom den sernitransparenta 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 nämnda andra ljuspuls träffar en absorbent 4, och mäta ett andra akustiskt eko E; som genereras när nämnda fotoakustisk lj udvâg träffar nämnda absorbent 4; och använda åtminstone de första E, och andra E; akustiska ekona kan koncentrationen och egenskaper hos partiklar i fluiden bestämmas.

Enligt en utföringsfonn av metoden ovan kan ett tredje akustiskt eko E; 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 reflelcterats 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 E 1, andra E 2 och tredje E; akustiska ekona kan koncentrationen partiklar och egenskapema hos partiklarna i fluiden bestämmas.

Vidare avser uppfinningen också ett system för att styra och/eller övervaka en tillverkningsprocess innefattande minst en anordning 10 enligt uppfinningen. Figur 6 visar schematiskt en utföringsform 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 rnätas kontinuerligt eftersom en del av suspensionen av pappersmassa i processen passerar mâtcellen 3. Anordningen 10 är inrättad att vara i kommunikation med en styr- och/eller övervakningsenhet, t.ex. medelst en kommunikationslânk (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 parametervârden vilka kan användas för styr och/eller övervakning av processen. Vidare kan tillverkningsprocessen styras medelst en processtyming som har nödvändiga organ för att styra papperstillverlmíngsprocessen. 533 935 13 Det bör inses att en anordning 10 och en metod enligt föreliggande uppfinning kan användas i andra tillämpningar än för mätning av massasuspension i en papperstillverkningsprocess. Till exempel kan uppfinningen användas i livsmedelsindustri, kemisk industri, läkemedelsindustri, eller i någon annan processindustri där föreliggande uppfinning är tillämplig.

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

Claims (18)

533 936 14 Patentkrav

1. Anordning för mätning av koncentration och egenskaper hos partiklar i en fluid, varvid nämnda anordning (10) innefattar: - en ljusenhet (7) anordnad att tillhandahålla en första ljuspuls in i en mätcell (3) innehållande nämnda 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 när nämnda absorbent (4), kännetecknad av att nämnda anordning (10) vidare innefattar - en sernitransparent 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 ljudvåg och en andra ljuspuls vilka kommer att propagera genom nämnda fluid i en riktning där nämnda absorbent (4) är anordnad så att de när 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 energiiörhållandet mellan nämnda fotoakustiska ljudvåg och nämnda andra ljuspuls kan varieras genom att variera absorptionen och tjockleken hos nämnda semitransparent absorbent (6).

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

5. Anordning enligt patentlcrav 4, varvid nämnda semitransparenta absorbent (6) vidare innefattar ett optiskt transparent glaslager (l) på vilket nämnda plastñlrn (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) fiån kemikalier i nämnda fluid. 533 936 15

7. Anordning enligt något av patentkrav 1-6, varvid nämnda fluid är en massasuspension och nämnda partiklar är finmaterial och/eller fibrer av nämnda massasuspension.

8. Anordning enligt patentkrav 7, varvid egenskapema är de fysikaliska egenskaperna hos finrnaterial och/eller fibrer, såsom fiberstorlek och densitet; de elastiska egenskapema, såsom elastisk modul och törlustfaktor.

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

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

11. 1 1. Anordning enligt något av patentkrav 1-10, varvid nämnda första ljuspuls passerar väsentligen vinkelrätt genom nämnda sernitransparenta absorbent (6), och nämnda absorbent (4) är anordnad väsentligen parallellt med nämnda semitransparenta absorbent (6) och anordnad på den motsatta sidan av nämnda mätcell i förhållande till nämnda seinitransparenta 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 koncemrationen och/eller egenskapema hos nämnda partiklar.

13. System enligt patentkrav 12, varvid nämnda mätcell (3) har fluidkontakt med en massasuspension i nämnda tillverkningsprocess, och nämnda tillverkningsprocess är en papperstillverkningsprocess. 533 936 16

14. Metod för mätning av koncentration och egenskaper hos partiklar i en fluid, varvid nämnda 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;) som genereras när nämnda andra ljuspuls träffar en absorbent (4) anordnad i anslutning till nämnda mätcell (3); - mätande av ett andra akustiskt eko (Eg) som genereras när nämnda fotoakustiska ljudväg träffar nämnda absorbent (4); och - bestämning av koncentrationen och egenskaperna 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;) 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 l4 eller 15, vidare innefattande stegen: - mätande av ett tredje akustiskt eko (E 3) som genereras då en tredje ljuspuls träffar nämnda absorbent (4), varvid nämnda tredje ljuspuls är en del av nämnda andra ljuspuls reflekterad vid nämnda absorbent (4), propagerad tillbaka genom nämnda fluid, reflekterad vid nämnda sernitransparent absorbent (6), och propagerad genom nänmda fluid för att träfia nämnda absorbent (4); och - bestämning av koncentrationen och egenskaperna hos partiklari nämnda fluid baserad på åtminstone närrmda första (El), andra (Eg) och tredje (Eg) akustiska ekon.

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

18. Metod enligt något av patentkrav 14-17, varvid nänmda 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 nämnda sernitransparenta absorbent (6).