SI24466A

SI24466A - Senzorska priprava za karakterizacijo kriogenih fluidov

Info

Publication number: SI24466A
Application number: SI201300296A
Authority: SI
Inventors: Pušavec Franci; Aljančič Uroš; Kopač Janez; Amon Slavko
Original assignee: Univerza V Ljubljani
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2015-03-31
Also published as: WO2015044124A1; EP3052923A1; US20160245747A1

Abstract

Izum se nanaša na uporabo optične senzorske priprave za zaznavanje faze kriogenega fluida v dovodu sistema za dovajanje kriogenih fluidov. Omenjena senzorska priprava za zaznavanje faze obsega: vhodni vmesnik za sprejem kriogenega fluida, izhodni vmesnik za sprostitev kriogenega fluida, prvi vezni del za povezavo na svetlobni vir, drugi vezni del za povezavo na svetlobni ponor, ohišje in merilno komoro v ohišju, ki je locirana prednostno na vod fluida med vhodnim in izhodnim vmesnikom. Dodatno sta omenjeni prvi in vezni del razporejena v ohišju tako, da sta omenjena svetlobni vir in svetlobni ponor priključena na omenjeni prvi in drugi vezni del in da svetloba lahko prehaja iz omenjenega svetlobnega vira v omenjeno merilno komoro, skozi kriogen fluid in je nato naprej lahko sprejeta na svetlobni ponor.

Description

SENZORSKA PRIPRAVA ZA KARAKTERIZACIJO KRIOGENIH FLUIDOV (SENSOR ARRANGEMENT FOR CRYOGENIC FLUID)

Področje inovacije

Področje inovacije je kriogeno odrezavanje. Bolj podrobno se inovacija nanaša na postopek in sistem za dovod kriogenega fluida v obdelovalni stroj, ter senzorsko pripravo za zaznavanje faze kriogenega fluida na dovodu.

Ozadje izuma

Pri običajnih odrezovalnih postopkih so zaradi same narave postopka, odrezovalna orodja poleg mehanskih obremenitev izpostavljena tudi visokim toplotnim obremenitvam. Za izogib težavam, povezanih z visokimi temperaturami, se uporabljajo t.i. hladilno mazalna sredstva (HMS). Taka HMS so lahko olja, vodne emulzije, ali kateri koli drug medij, ki ima mazalne in pretežno hladilne sposobnosti.

Kot alternativa oljnim HMS se kot hladilni medij pojavlja uporaba utekočinjenega dušika (kriogen fluid). WO96/05008 predstavlja kriogeno odrezavanje z uporabljenim utekočinjenim dušikom kot hladilnim medijem. Utekočinjeni dušik (N₂) ima pri atmosferskim tlaku temperaturo vrelišča pri -196°C, kar odraža učinkovite hladilne karakteristike. Ob dovodu utekočinjenega dušika iz rezervoarja, t.i. Dewarja, v obdelovalni stroj, je medij sam po sebi izpostavljen velikim toplotnim izgubam. Vzrok je nemoč zagotavljanja idealne izolacije ob veliki temperaturni razliki med hladilnim medijem in temperaturo okolice (-196°C - 20°C). Toplotne izgube pomenijo dvig temperature hladilnega medija na poti iz rezervoarja do izhodne šobe. Dvig temperature pa vodi v uplinjanje kapljevinaste faze dušika. Glede na velikost toplotnih izgub, se celotna ali delna količina dušika, pri toku skozi dovod, tako lahko upari. Na izhodni šobi hladilno mazalnega sistem tako pride do dovoda kriogenega fluida v mešani fazi (kapljevinasti dušik z vsebnostjo plinastih mehurčkov ali plinasti dušik z deležem kapljic kapljevine). Tako dobimo dovod kriogenega fluida v rezalno cono v mešani plinasto-kapljevinasti fazi, čeprav je cilj dobiti popolnoma kapljevinasto fazo. Kapljevinasta faza ima normalno nižjo temperaturo, večjo hladilno sposobnost in boljše mazalne lastnosti kot plinasta faza. Kriogen fluid v kapljevinasti fazi, ki je dovedena v rezalno cono, pomaga zmanjšati obrabo rezalnih orodij in nenazadnje narediti proces ekonomsko bolj upravičen. Tako je cilj imeti sposobnost nadzora količine plinaste faze v dovedenem utekočinjenem hladilno mazalnem kriogenem fluidu.

·· ·· ··· ··♦ ·

Za sposobnost kontrole statusa faze dovedenega kriogenega fluida, je prvi pogoj sposobnost zaznavanja njegove faze na dovodu. To pomeni, zaznavanje količine plinaste faze v dovedenem kriogenem fluidu. Zaznavanje faze kriogenega fluida ob dovodu nam tako omogoča kontrolo ostalih procesnih parametrov kot so: volumski pretok, masni pretok, itd. Masni pretok je neposredno odvisen od relativne količine plinaste in kapljevinaste faze v dovedenem kriogenem fluidu, kot bo razloženo v nadaljevanju.

S tem izumom je predlagan princip senzoija za zaznavo faze kriogenega fluida v sistemih za dovod kriogenih fluidov. Znani oz. običajno uporabljani senzorji oz. sistemi za zaznavanje faze kriogenih fluidov pretežno temeljijo na meritvah temperature ali kapacitivnosti. Taki principi senzoijev niso ideal. Temperaturni senzorji imajo relativno dolge odzivne čase in so tako prepočasni za zaznavanje hitrih in majhnih sprememb temperature kriogenih fluidov of faznih spremembah. Hitra in precizna zaznava je pomembna za analizo mešanice kapljevinasto plinaste faze kriogenih fluidov. Tako temperaturna zaznavala niso sposobna robustne karakterizacije faze takih fluidov. Druga omejitev temperaturnih senzorjev pri zaznavanju faze kriogenih fluidov je razmeroma majhna razlika v temperaturi kriogenega fluida v okolici temperature vrelišča, kjer sta lahko prisotni obe fazi (plinasta in kapljevinasta). Tako v okolici temperature vrelišča ni moč robustno, na podlagi temperaturnih informacij, ločiti med kapljevinasto in plinasto fazo kriogenega fluida.

Drug princip merjenja za zaznavo faze kriogenega fluida, ki se uporablja, so kapacitivni senzorji. Običajno se uporabljajo za določevanja nivoja kapljevinaste faze utekočinjenega dušika v rezervoarjih. A kljub temu imajo pri zaznavanju faze kapacitivni senzorji analogne probleme kot prej opisani temperaturni senzorji. Poleg tega so tudi ti razmeroma počasni. Tako so tudi kapacitivni senzorji težko uporabni za zaznavanje hitrih sprememb faze kriogenih fluidov ter mešanic plinaste in kapljevinaste faze, na sistemih za dovod kriogenih fluidov na/v obdelovalni stroj oz. rezalno cono.

Glede na zgoraj opisano stanje je cilj področja zagotovitev senzorjev in merilnih sistemov primernih za zaznavanje stanja faze kriogenih fluidov v sistemih za njihov dovod. Senzorji pa morajo dodatno zagotavljati sposobnost visoke natančnosti in kratkih odzivnih časov. Predmet izuma je zagotovitev senzorjev in merilnih sistemov, robustnih za zaznavo stanja faze kriogenih fluidov na dovodu, v okolici temperature vrelišča.

Se en predmet izuma je zagotoviti sistem dovoda kriogenih fluidov, ki bo vključeval učinkovitejšo zaznavo in nadzor faze dovoda kriogenega fluida.

Povzetek inovacije

Zgoraj navedene pomanjkljivosti stanja tehnike so izboljšana z ureditvijo senzoijev, sistemov in metod, kot so opredeljene v sledečih patentnih zahtevkih. Izum predvideva uporabo senzorskih priprav, dovodnih sistemov, sistemov kriogenega odrezavanja in metod podanih v priloženih zahtevkih.

Predloženi izum se tako nanaša na ureditev priprave optičnega senzorja za zaznavanje faze kriogenega fluida v samem dovodu. Priprava optičnega senzorja faze sestoji iz: vhodnega vmesnika za sprejem kriogenega fluida; izhodnega vmesnika za sprostitev kriogenega fluida; prvi vezni del za povezavo s svetlobnim virom; drugi vezni del za povezavo s ponorom svetlobnega žarka; ohišja in merilno komoro. Merilna komora je prednostno zagotovljena v omenjenem ohišju med (in prednostno v stiku s fluidom) omenjenima vhodnim in izhodnim vmesnikom. Prvi in drugi vezni del sta prednostno razporejena v ohišju tako, da sta omenjeni svetlobni vir in ponor, ko sta priključena na omenjeno ureditev senzorske priprave za zaznavo faze, odmaknjena drug od drugega v omenjeni merilni komori.

Se en vidik izuma se nanaša na ureditev priprave optičnega senzorja za zaznavanje faze kriogenega fluida v samem dovodu ali za določitev količine prisotnosti plinaste faze kriogenega fluida v dovodu. Omenjeni senzor za določevanje faza obsega: vhodni vmesnik za sprejem kriogenega fluida, izhodni vmesnik izpuh za sprostitev kriogenega fluida, prvi vezni del za povezavo svetlobnega vira, drugi vezni del za povezavo s ponorom svetlobe, ohišje in merilno komoro. Merilna komora je v ohišju med omenjenima vhodnim in izhodnim vmesnikom in je v kontaktu z merjenim fluidom, prednostno na dovodu. Omenjena vstopni in izstopni vezni del se nahajata v omenjenem ohišju tako, da lahko svetlobni vir in ponor ko sta priključena na vezna dela omogočata, da se svetloba lahko oddaja iz omenjenega svetlobnega vira v omenjeno merilno komoro in nato nazaj zbere v svetlobni ponor (prednostno iz merilne komore).

V eni izvedbi, sta omenjeni prvi in drugi vezni del v obliki dveh ločenih priključnih delov. Omenjena svetlobni vir in svetlobni ponor, ko sta priključena na omenjena prvi in drugi vezni del, pa sta locirana razmaknjeno drug od drugega v omenjeni merilni komori.

V nadaljnji prednostni izvedbi, sta omenjeni svetlobni vir in ponor, ko sta priključena na omenjeni prvi in drugi vezni del, locirana v ohišju na nasprotnih si straneh omenjene merilne komore.

V alternativni izvedbi, sta prvi in drugi vezni del združena v en sam skupni (enotni) vezni del, na katerega sta povezana tako svetlobni izvor kot svetlobni ponor. Ta izvedba je še posebej uporabna, če je način zaznave faze kriogenega fluida reflektivni, t.j. ko si svetlobni vir in ponor nista nasproti. Za zaznavo faze kriogenega fluida v reflektivnem načinu pa ni pogoj, da sta prvi in drugi vezni del v obliki enotnega veznega dela. Predvidene so tudi drugačne konfiguracije. Na primer, prvi in drugi vezni del sta razporejena drug poleg drugega v vzporedni usmeritvi, obrnjena v isto smer. Alternativno sta lahko prvi in drugi vezni del razporejeni pod določenim kotom med seboj. Za zaznavo faze kriogenega fluida pri reflektivnem načinu je lahko za odboj svetlobe uporabljena tudi zrcalna površina nasproti prvega in drugega veznega dela (nasproti svetlobnega vira in ponora, ki sta priključena na prvi in drugi vezni del).

V drugi prednostni senzorski pripravi izuma sta omenjena svetlobni vir in ponor, ko sta priključena na omenjeni prvi in drugi vezni del, v tem zaporedju, locirana na nasprotnih si straneh ohišja (npr. na nasprotnih si notranjih površinah) omenjene merilne komore. Alternativno sta vir in ponor svetlobe lahko v omenjenem ohišju orientirana drug proti drugemu. Alternativno sta vir in ponor svetlobe lahko v omenjenem ohišju orientirana tudi tako, da je emitirana svetloba iz izvora v merilno komoro lahko sprejeta na svetlobnem ponoru.

V prednostni izvedbi izuma, svetlobni vir obsega laser ali LED diode. Laser ali LED je prednostno priključen na omenjeni prvi povezovalni del, npr.: s pomočjo optičnega vlakna. Svetlobni ponor lahko predstavlja svetlobni detektor za zaznavanje oddane svetlobe iz omenjenega svetlobnega vira, ki je prednostno priključen na drugi vezni del. Detektor je analogno lahko priklopljen na drugi vezni del preko t.i. optičnih vlaken.

Tako na podlagi inovacije lahko svetlobni izvor predstavlja tudi povezava omenjenega prvega veznega elementa in omenjenega laserja oz. LED z optičnim vlaknom.

Svetlobni ponor nadalje lahko predstavlja tudi povezava omenjenega drugega veznega elementa in omenjenega detektorja.

V prednostnih izvedbah, senzorska priprava obsega tudi uporabnost za beleženje intenzitete svetlobe, ki jo zazna detektor. Ustrezna sredstva za beleženje intenzitete svetlobe, ki jo detektor zazna, so npr.: trdi disk ali drugi računalniški pomnilnik.

Po eni od izvedbi, senzorska priprava obsega tudi primerna računalniška sredstva za direktno preračunavanje rezultatov oz. faze kriogenskega fluida na podlagi intenzitete svetlobe, ki jo detektor zazna. Primerna računalniška sredstva lahko predstavljajo konvencionalni računalniki ali ustrezno sprogramirani mikrokrmilniki za izračun faze kriogenega fluida iz jakosti intenzitete svetlobe, kije zaznana z detektorjem.

• · · · · · * * · • · ··· ··· ·

Izum se nadalje nanaša na sistem za dovod kriogenenih fluidov, ki obsega vir kriogenih fluidov, kot je rezervoar ali t.i. Dewar, dovod povezan na vir kriogenega fluida in senzorsko pripravo priključeno oz pritrjeno na dovod. Optična senzorska priprava je prednostno ena od izvedb po izumu, kot je opisano zgoraj.

Drugi vidik izuma se nanaša na sistem za kriogeno odrezavanje, pri čemer sistem obsega obdelovalno orodje povezano s sistemom za dovod kriogenih fluidov v okviru izuma, kot je opisano zgoraj.

Predloženi izum se na splošno nanaša tudi na uporabo optičnih senzorjev za zaznavanje faze kriogenih fluidov na dovodu sistema za dovajanje kriogenih fluidov.

V prednostnih izvedbah je optični senzor, senzorska priprava inovacije, po zgornjem opisu. Zato se cilj tega izuma nanaša na uporabo optične senzorske priprave za zaznavanje faze kriogenega fluida na samem dovodu oz. za določevanje količine plinaste faze kriogenega fluida v dovodu. Omenjena senzorska priprava za detekcijo faze obsega: vhodni vmesnik za sprejem kriogenga fluida, izhodni vmesnik za sprostitev kriogenega fluida, prvi vezni del za povezavo na svetlobni vir, drugi vezni del za povezavo na svetlobni ponor, ohišje in merilno komoro v njem. Merilna komora je med vhodnim in izhodnim vmesnikom postavljena tako, da vmesnika omogočata tok fluida skozi merilno komoro. V ohišju se nahajata prvi in drugi vezni del tako, da svetlobni izvor in ponor ob povezavi s prvim in drugim veznim delom, da omogočata svetlobi emitiranje iz svetlobnega izvora v merilno komoro in nato povratni sprejem preko omenjenega svetlobnega ponora.

Nadaljnji vidik inovacije se nanaša na postopek za zaznavanje faze kriogenega fluida v samem dovodu sistema za dovajanje kriogenih fluidov, pri čemer postopek obsega zaznavanje faze omenjenega kriogenega fluida v omenjenem dovodu s senzorsko pripravo, kot je opisano zgoraj.

Izum se nanaša tudi na metode za nadzor pretoka masnega pretoka kriogenih fluidov skozi sistem za dovod kriogenih fluidov, pri čemer je masni pretok krmiljen na osnovi signala zaznanega s senzorsko pripravo, po izumu opisano zgoraj.

V prednostnih izvedbah izuma, naj bo zaznavanje faze kriogenega fuida razumljeno kot določitev količine (relativne količine) plinaste faze v dovodu kriogenega fluida. Zaznavanje faze lahko predstavlja tudi zaznavanje (ali določevanje količine) plinastih mehurčkov v toku kriogenega fluida.

Kratek opis slik

Slika 1 prikazuje inovacijo senzorske priprave za zaznavanje faze.

Slika 2 prikazuje inovacijo senzorske priprave za zaznavanje faze, integrirano v izhodno razpršilno šobo.

Slika 3 prikazuje rezultat in potek meritev nove optične senzorske priprave v primerjavi z meritvami temperaturnega senzorja.

Podroben opis inovacije

Predloženi izum temelji na bistveni ugotovitvi, da je tekoča faza kriogenega fiuida v dovodu sistema za dovajanje kriogenega fiuida lahko zanesljivo zaznana z optičnim senzorjem. Inovatorji so ugotovili, da je optično zaznavanje kriogenega fiuida mogoče preko meritve zmanjšanja intenzitete svetlobe pri prehodu skozi kriogen fluid. Metoda omogoča zelo hitro in natančno merjenje ter določitev statusa faze kriogenega fiuida.

Izum se torej nanaša na optično senzorsko pripravo za zaznavanje faze. Senzorska priprava te inovacije prednostno meri zmanjšanje intenzitete svetlobe ob prehodu svetlobe iz svetlobnega vira skozi kriogen fluid na ponor svetlobe, prednostno v merilni komori. Optična detekcij ska faze z inovativno senzorsko pripravo omogoča kratke odzivne čase, lahko pod 10 ms. Druga ugodna značilnost inovacije senzorske priprave je, da se lahko izdela v miniaturni obliki, ki omogoča vgradnjo senzorske priprave v obstoječe elemente rezalnih orodij, šob, itd. Senzorska priprava po izumu, ko je integrirana v ali ob dovod, minimalno vpliva oz. posega v sam tok dovoda fiuida. Tako je zasnovan na način, da povzroča zanemarljivo količino motenj in turbulenc. Taka prednost je ključna, ker turbulence povzročajo neželeno uparevanje kriogenega fiuida v samem dovodu. Senzorska priprava predloženega izuma je prednostno zelo majhna in zato lahko uporabljana za zaznavanje faze hladilnih medijev v dovodnih ceveh premera 1 mm oz. manj.

Senzorska priprava in sistem te inovacije prednostno zaznava in karakterizira relativno količino plinaste in kapljevinaste faze kriogenega fiuida v dovodnem vodu. Prednostno sta sposobna podati tudi informacijo o relativni količini, v procentualnem deležu, plinaste oz. kapljevinaste faze v toku kriogenega fiuida.

Zaznavanje faze s senzorsko pripravo po izumu lahko nadalje obsega tudi shranjevanje informacij kot izhodov iz detektorja. Snemanje je lahko zagotovljeno preko običajnega računalnika, mikrokrmilnikov itd., prednostno povezanih z napravo za shranjevanje podatkov, npr.: trdi disk, spomin računalnika, itd.

V prednostnih izvedbah izuma je zaznavanje faze s senzorsko pripravo nameščeno na ali v neposredni bližini dovodne šobe. To zagotavlja, da faza fiuida, ki je zaznana s senzorsko pripravo, natančno ustreza fazi dovedenega fluida v rezalni coni. V prednostnih izvedbah je senzorska priprava integrirana v samo dovodno šobo rezalnega orodja.

Zaznavanje faze fluida, po inovaciji, temelji na zmanjšanju jakosti svetlobe pri prehodu skozi kriogen fluid. Intenziteta svetlobe skozi kriogen fluid se zmanjša v skladu z LambertBeerovem zakonom in / ali s pomočjo sipanja svetlobe. Zmanjšanje jakosti svetlobe na podlagi Lambert-Beerov zakona in sipanja svetlobe, je večje pri kapljevinasti fazi kriogenega fluida kot pri plinastem kriogenem fluidu. Tako intenziteta svetlobe, ki jo detektor zazna, podaja koristne informacije o fazi kriogenega fluida in s tem relativne količine plinaste faze v dovedenem kriogenem fluidu.

Intenziteta svetlobe skozi kriogen fluid se lahko izmeri na transmisivni način (kot je opisano zgoraj), ali pa se lahko izmeri na odsevni načinu. V odsevnem načinu, svetlobni vir in ponor nista locirana na nasprotnih si straneh (eden proti drugem) ampak tako, da sta bodisi paralelna z isto usmerjenostjo oz. pod določenim kotom. Zato sta lahko vir in ponor svetlobe postavljena drug poleg drugega, v isti smeri ali je lahko uporabljeno celo isto optično vlakno za obe funkciji (svetlobni vir in ponor). V tem primeru je na optično vlakno priklopljen tako laser (ali LED ali drug vir svetlobe), kot tudi svetlobno občutljiv detektor. Isto optično vlakno tako lahko služi kot svetlobni vir in svetlobni ponor. Pri merjenju v odbojnem načinu je prednostno, da se zagotovi odbojne oz. zrcalne površine, nasproti svetlobnega vira in ponora.

Senzorska priprava inovacije je lahko uporabljena v kombinaciji s sistemi za dovod kriogenih fluidov. Takšni sistemi lahko vključujejo vir kriogenega fluida, kot je Dewar posoda (rezervoar) ter vode za dovajanje kriogenega fluida do rezalnega orodja oz. same rezalne cone in do optične senzorske priprave za zaznavanje faze, prednostno po eni od izvedb izuma.

Slika 1 prikazuje optično senzorsko pripravo za zaznavanje faze 1, ki ima vhodni vmesnik za dovod 3 za kriogen fluid 2, izhodni vmesnik 4, ter merilno komoro 10. Merilna komora 8 se nahaja v ohišju 9 in je tokovno povezana z vhodnim vmesnikom 3 in izhodnim vmesnikom 4. Natančneje se merilna komora 10 nahaja v tekočinski povezavi z in med vhodnim vmesnikom 3 in izhodnim vmesnikom 4. Kriogeni fluid teče od vhodnega vmesnika 3 k izhodnem vmesniku 4, torej teče skozi merilno komoro 10. Kot je razvidno na sliki, je vhodni vmesnik 3 v tej izvedbi povezana s prvim delom dovodne cev ali voda 11, medtem ko je izhodni vmesnik 4 povezan z drugim delom istega voda 11.

Optična senzorska priprava za zaznavanje faze 1, nadalje vključuje prvi vezni del 5 za povezavo na svetlobni vir 6, in drugi vezni del 7 za povezavo na svetlobni ponor 8. Prvi in drugi vezni del 5 in 7 sta v tej izvedbi predstavljena v obliki lukenj v ohišju 9, v katero so vstavljena optična vlakna (ki lahko predstavljata del svetlobnega vira in / ali svetlobnega ponora). Drugi povezovalni mehanizmi vira svetlobe 6 in ponora svetlobe 8 z ohišjem 9 ali merilne komore 10, so seveda mogoči.

Optično vlakno, v tej inovaciji, je vsako fleksibilno vlakno iz prosojnega materiala, kot sta npr.: ekstrudirano steklo ali prozorni polimer. Primerna optična vlakna so lahko tudi PMMA vlakna, t.j. iz akrilnega stekla ali katera koli druga izvedba.

Svetlobni izvor 6 in svetlobni ponor 8 sta prednostno integrirana v ohišje 9 ali senzorsko pripravo 1, na nasprotnih si straneh, orientirana eden proti drugemu. Z drugimi besedami, se svetloba, ki jo oddaja svetlobni izvir 6 v merilno komoro 10 ujame v svetlobni ponor 8 in nato na priveden foto detektor.

Svetlobni viri, v skladu z izumom, prednostno obsegajo laser ali LED diode. Laser in / ali LED so lahko povezani ali spojeni z merilno komoro 10 preko optičnega vlakna. Natančneje je optično vlakno s tesnilnim spojem povezano z ohišjem 9 senzorske priprave

1. To omogočata luknji v ohišju 9. Kot je razvidno na sliki, konec optičnega vlakna prednostno sovpada z notranjo površino merilne komore 10. Vendar pa ta konec lahko sega tudi v merilno komoro 10. V drugih izvedbah je lahko laser ali LED zagotovljen neposredno v ali na površini merilne komore 10.

Izum se nanaša tudi na sistem dovoda kriogenih fluidov. Po inovaciji, sistem za dovod kriogenega fluida vključuje vod 11, ki je prednostno povezan z virom kriogenega fluida (ni prikazano), kot je vakuumsko izoliran rezervoar - Dewar. Vir kriogenega fluida je povezan z vodom 11. Prednostno kriogen fluid vstopi v vod 11 v kapljevinasti obliki. Kriogeni fluid nato teče preko voda lis pomočjo tlačne razlike.

Pri toku po vodu 11 se, zaradi neizogibnih toplotnih izgub, kriogenem fluidu 2 v vodu 11 lahko dvigne temperatura. Ko temperatura kriogenega fluida preseže temperaturo upaijanja (pri tlaku okolice) lahko pride do spremembe faze kriogenega fluida iz kapljevinaste v plinasto. To pa vodi k nastanku zmesi plinastega in kapljevinastega kriogenega fluida v vodu 11. Ta mešanica plinastega in kapljevinastega kriogenega fluida nadaljuje tok skozi vod 11 in skozi senzorsko pripravo za zaznavanje faze fluida 1. Kriogen fluid 2, v merilni komori 10 senzorske priprave 1, zmanjša intenziteto svetlobe s svetlobnega izvora 6 pri prehodu do svetlobnega ponora 8. Glede na fazo kriogenega fluida v merilni komori 10, bodisi v plinasti ali kapljevinasti, se spreminja intenziteta prehodne svetlobe na svetlobnem ponoru 8. Če je kriogen fluid prisoten v kapljevinasti obliki, bo intenziteta sprejete svetlobe na svetlobnem ponoru 8 praviloma manjša, kot če je prisoten v plinastem stanju.

Intenziteta svetlobe sprejete na svetlobni ponor 8 in posredno na svetlobni senzor je tako lahko uporabljena kot cenilka faze kriogenega fluida.

Primerni detektorji za zaznavanje intenzitete svetlobe zajete na svetlobnem ponoru 8 so na primer, silicijevi fotodetektorji. Primerni detektorji so znani v stroki in / ali komercialno dostopni. Detektor je prednostno povezana ali sklopljen z merilno komoro preko optičnega vlakna. Uporaba optičnih vlaken ne omogoča le miniaturizacije senzorja za zaznavanje faze, temveč nudi tudi fizično ločitev kriogenega fluida in detektorja. To ima svoje prednosti, še zlasti, ker temperaturno običajne fotodetektorjev ne omogoča njihovo uporabo pri tako nizkih temperaturah merilnega mesta (-196°C).

Slika 2 prikazuje drugo razporeditev senzorske priprave za zaznavanje faze po izumu. V tem primeru je senzorska priprava 1 zaznavanja faze integrirana v dovodno šobo, ki je uporabljena za dovod oz. razpršitev kriogenega fluida neposredno na rezalno orodje oz. v rezalno cono. Tudi v tej izvedbi senzorska priprava za zaznavanje faze 1 vsebuje vhodni vmesnik 3 za kriogen fluid, izhodni vmesnik 4, ter merilno komoro 10. V tej izvedbi merilno komoro 10 predstavlja izvrtina v dovodni šobi. Vhodni vmesnik 3 je lahko priključen na vod za dovajanje kriogenih fluidov (ni prikazano). Izhodni vmesnik 4 pa v tem primeru vključuje tudi šobo, ki služi za sprostitev kriogenega fluida na rezalno orodje oz. rezalno cono procesa. Optična vlakna so povezana z ohišjem 9 na vmesnih delih 5 in 7. Končna dela optičnih vlaken sta razporejeni na nasprotnih si straneh z orientacijo enega proti drugem, v ali na površini merilne komore 10. Svetloba z laserja ali z LED je vodena skozi optično vlakno (ki se v tem primeru obravnavano kot del svetlobnega vira) v merilno komoro 10. Svetloba je nato vodena skozi kriogen fluid v merilno komoro in naprej v sprejemno drugo optično vlakno. Drugo optično vlakno je povezano s svetlobnim detektorjem. Kriogen fluid v merilni komori 10 zmanjša intenziteto svetlobe, ki je skozi njega prenesena na svetlobni ponor 10 ali pripadajoč detektor. S tem se zagotavlja informacijo o fazi kriogenega fluida v vodu 11 in / ali merilni komori 10.

Slika 3 prikazuje rezultate poteka meritve različnih režimom dovoda kriogenega fluida ob uporabi optičnega senzorja po tem izumu v primerjavi s temperaturnim senzorjem. Zgornji del Slike 3 prikazuje signal optičnega senzorja po izumu. V spodnjem delu slike pa je prikazan signal, pridobljen iz temperaturnega tipala. Signali so obravnavani v poglavju »Primer« spodaj.

Relativna količina plina in kapljevine kriogenega fluida se lahko izračuna iz signala, pridobljenega iz senzorske priprave v skladu z izumom. Na primer, če je določeno časovno obdobje optični signal višji od določene meje, nam ta informacija služi kot cenilka za relativno količino dovedenega fluida, ki je v tekoči fazi. Alternativno je lahko izračunana povprečna intenziteta signala v določenem času obdobju, ki služi kot cenilka relativne količine tekoče faze v dovedenem kriogenem fluidu. Kalibracijske metode so prepuščene spretnosti in izkušnjami usposobljene osebe.

Kot prednost, bo poznavanje stanja faze fluida v dovodu ali šobi sistema za dovajanje kriogenih fluidov uporabno za kontrolo volumskega ali masnega toka v sistemu za dovajanje kriogenega fluida. Bolj podrobno, je lahko izveden zaprto zančni krmilni sistem, ki poveča pretok kriogenega fluida skozi vod 11, ko se delež plinaste faze kriogenega fluida poveča čez določeno mejo. Povečanje pretoka kriogenega fluida skozi vod 11 zmanjša relativno količino plinaste faze in posledično poveča količino dovedenega fluida v kapljevinasti fazi.

Eden od vidikov tega izuma se nanaša tudi na metode za uravnavanje toka kriogenega fluida skozi sistem za dovajanje kriogenih fluidov. Zato pričujoči izum vključuje metodo za kontrolo masnega pretoka kriogenega fluida skozi vod dovodnega sistema. Masni tok kriogenega fluida je potrebo povečati, ko je zaznana relativna količina kriogenega fluida v kapljevinasti fazi pod določeno mejo. Relativna količina kriogenega fluida v kapljevinasti fazi je zaznana s senzorsko pripravo po predloženim izumu. V prednostni izvedbi je (masni) pretok kriogenega fluida skozi sistem za dovod kriogenega fluida kontroliran z namenom dosega in ohranjanja njegove najmanjše vrednosti, kjer bo v dovodu pretežno kapljevinasta faza. Tak režim kontrole toka bo zmanjšal samo porabo kriogenega fluida.

Primer

Senzorska priprava za optično detekcijo faze je po izumu integrirana v dovodno šobo na rezalnem orodju za kriogeno odrezavanje. Testna priprava vključuje tudi temperaturni senzor. Oba signala, z optičnega in temperaturnega senzorja, sta zajeta vzporedno in sta prikazana na sliki 3. Od t = 0 do t = lOsje skozi šodo dovedena le plinasta faza dušika kot kriogenega fluida. Izhod iz optičnega senzorja je na ničelnem nivoju, kar ustreza dejstvu da v dovodu ni prisotne kapljevinaste faze. Temperaturni senzor vzporedno zazna znižanje temperature od sobne temperature do približno -30 ° C pri t - 10 s. Od t = 10 s do t = 70 s, se na izstopu iz šobe v plinasti fazi dušika začenjajo pojavljati tudi kapljice kapljevinastega dušika. Optični signal kaže pulzna višanja vrednosti, ki kaže izmenično prisotnost kapljevinaste in plinaste faze kriogenega fluida v dovodu. Visoke vrednosti v signalu (amplitude proti vrednosti 1) kažejo na prisotnost kapljevine v merilni komori, medtem ko nizke vrednosti signala (amplitude proti vrednosti 0) kažejo na prisotnost plina. Od t = 70 s do t = 160 s je na izhodu iz šobe dovedena le kapljevinasta faza dušika. Optični senzor še vedno odraža visok nivo vrednosti s prisotnostjo fluktuacij. Ne glede na nihanja, pa je povprečna vrednost signala signifikantno višji kot v predhodnem režimu (t = 10 s do t = 70 s). Na drugi strani temperaturni senzor kaže konstantno temperaturo -196 ⁰ C, kar sovpada s temperatura upaijanja kriogenega fluida - dušika N₂. Od t = 160 s do t = 185 s je dovodni režim dušika pretežno v kapljevinasti fazi ob prisotnosti plinastih mehurčkov. Plinski mehurčki so robustno zaznani z optičnim senzorjem. Odzivni čas temperaturnega senzorja pa je predolg za detekcijo mehurčkov v dovedeni kapljevinasti fazni osnovi kriogenega fluida.

Ugotovljeno je bilo, da optični senzor za detekcijo faze po izumu podaja robustne in bolj informativne rezultate za detekcijo statusa faza kriogenega fluida v vseh režimih eksperimentiranja, kot je prikazano na sliki 3. Na drugi strani je temperaturni senzor nezmožen zaznavanja plinastih mehurčkov v dovedeni kapljevinasti fazni osnovi kriogenega fluida. Po izumu je tako optična senzorska priprava za detekcijo faze uporabna za robustno določanje faze kriogenega fluida v vodih ali sami šobi sistema za dovajanje kriogenih fluidov. Temperaturni senzor tega ni sposoben, kot je povzeto in predlagano v pregledu stanja.

Numerične reference — senzorska priprava zaznavanja faze

- kriogen fluid

- vhodni vmesnik

- izhodni vmesnik

- prvi vezni del

- svetlobni izvor

- drugi vezni del

- svetlobni ponor

- ohišje

- merilna komora

11- dovod/vod

Claims

Patentni zahtevki

1. Senzorska priprava za karakterizacijo kriogenih fluidov (1) se nanaša na optično zaznavanje faze kriogenega fluida (2) v dovodu (11) in sestoji iz:

(i) vhodnega vmesnika (3) za sprejem kriogenega fluida (2);

(ii) izhodnega vmesnika (4) za sprostitev kriogenega fluida (2);

(iii) prvega veznega dela (5) za povezavo svetlobnega vira (6);

(iv) drugega veznega dela (7) za povezavo svetlobnega ponora (8);

(v) ohišja (9); in (vi) merilne komore (10) v omenjenem ohišju (9), ki je locirano na samem toku med omenjenim vhodnim vmesnikom (3) in izhodnim vmesnikom (4);

kjer sta prvi (5) in drugi (7) vezni del razporejena v ohišju (9) tako, da sta omenjeni svetlobni vir (6) in omenjeni svetlobni ponor (8) priključena na omenjeni prvi (5) in drugi (7) vezni deli. Razporejena sta tako, da svetloba lahko potuje iz omenjenega svetlobnega vira (6) v omenjeno merilno komoro (10) in naprej na omenjeni svetlobni ponor (8).
2. Senzorska priprava po zahtevku 1, kjer sta prvi (5) in drugi (7) vezni del v obliki dveh ločenih priključnih delov. Dodatno sta, omenjeni svetlobni vir (6) in omenjeni svetlobni ponor (8), ko sta priključena na omenjeni prvi (5) in drugi (7) vezni del postavljena tako, da sta izvor in ponor razmaknjena drug od drugega v omenjeni merilni komori (8).
3. Senzorska priprava po zahtevku 2, kjer sta omenjeni svetlobni vir (6) in omenjeni svetlobni ponor (8), ko sta priključena na omenjeni prvi (5) in drugi (7) vezni del, locirana v omenjenem ohišju (9) na nasprotnih si straneh omenjene merilne komore (10).
4. Senzorska priprava po zahtevku 1, kjer sta prvi (5) in drugi (7) vezni del v obliki enotnega veznega dela povezanega z omenjenim svetlobnim virom (6) in omenjenim svetlobni ponorom (8).
5. Senzorska priprava po katerem koli od zahtevkov od 1 do 4, kjer je svetlobni vir (6) predstavljen v obliki laserja ali LED diode in je priključen na omenjeni prvi vezni del (5).
6. Senzorska priprava po zahtevku 5, kjer je svetlobni ponor (8) predstavljen v obliki detektorja svetlobe za zaznavanje oddane svetlobe iz omenjenega svetlobnega vira (6) in je priključen na drug vezni del (7).
7. Senzorska priprava po zahtevku 6, kjer svetlobni vir (6) nadalje obsega optično vlakno, priključeno med omenjenim prvim vezni del (5) in omenjeni laser ali omenjeni LED. In kjer svetlobni ponor (8) nadalje obsega optično vlakno priključeno med omenjeni drugi vezni del (7) in omenjeni detektor.
8. Senzorska priprava po zahtevku 6 ali 7, s tem da omenjena senzorska priprava nadalje vključuje tudi možnost zajemanja in shranjevanja intenzitete svetlobe, ki jo zazna omenjeni detektor.
9. Senzorska priprava po zahtevku 8, dodatno vključuje tudi možnost preračunavanja, za preračunavanje faze kriogenega fluida iz omenjenih meritev intenzitete omenjene svetlobe s pomočjo omenjenega detektoqa.
10. Sistem za dovajanje kriogenih fluidov sestoji iz izvora kriogenega fluida (2), voda (11), ki je priključen na omenjeni vir kriogenega fluida (2) in senzorske priprave (1) priključene na omenjeni vod (11), pri čemer je senzorska priprava (1) priprava po katerem koli od zahtevkov od 1 do 7.
11. Sistem za kriogeno odrezavanje, kjer omenjeni sistem obsega rezalno orodje povezano s sistemom za dovajanje kriogenih fluidov po zahtevku 10.
12. Postopek uporabe optične senzorske priprave za zaznavanje faze kriogenega fluida (2) v vodu (11) sistema za dovajanje kriogenih fluidov.
13. Postopek uporabe sistema za kriogeno odrezavanje, kjer je optična senzorska priprava, senzorska priprava po katerem koli od zahtevkov od 1 do 9.
14. Metoda zaznavanja faze kriogenega fluida (2) v vodu (1) sistema za dovajanje kriogenih fluidov, kjer postopek obsega zaznavanje faze omenjenega kriogenega fluida (2) v omenjenem vodu (11) s senzorsko pripravo (1) po katerem koli od zahtevkov od 1 do 9.
15. Metoda za nadzor masnega pretoka kriogenega fluida (2) s sistemom za dovajanje kriogenih fluidov, kjer je masni pretok nadzorovan na osnovi signala s senzorske priprave, po katerem koli od zahtevkov od 1 do 9.

1/3