CH670511A5

CH670511A5 -

Info

Publication number: CH670511A5
Application number: CH2288/85A
Authority: CH
Inventors: Gillies David Pitt; Philip Extance
Original assignee: Int Standard Electric Corp
Priority date: 1983-06-14
Filing date: 1985-05-30
Publication date: 1989-06-15
Also published as: NO174866C; GB8316175D0; NO843551L; GB2141553B; GB2141553A; AU3293984A; AU573254B2; NO174866B

Description

BESCHREIBUNG Die vorliegende Erfindung betrifft eine Streuzellenanordnung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Anordnung kann beispielsweise in einem intelligenten Mehrzweck-on-line-Sensor zur Verwendung kommen. DESCRIPTION The present invention relates to a scatter cell arrangement according to the preamble of claim 1. Such an arrangement can be used, for example, in an intelligent multi-purpose online sensor.

Im GB-Pat. Nr. 1 588 862 ist eine mehrwinklige Streuzelle zur Verwendung bei der Detektion von Festpartikeln, wie z.B. Rost, und auch zur Detektion von flüssigen Partikeln, wie z.B. Öltröpfchen in Wasser beschrieben. Eine solche Streuzelle wurde entwickelt für die Überwachung von in Wasser vorhandenem Öl im Baiast- und Bilgenwasser von Schiffen und kann auch in einer Anlage zur Detektion der Konzentration von einer oder mehreren in Wasser suspendierten Arten von Öl verwendet werden, wie dies im GB-Pat. Ges. Nr. 8 206 027 beschrieben ist. In GB Pat. No. 1,588,862 is a multi-angle scatter cell for use in the detection of solid particles, such as e.g. Rust, and also for the detection of liquid particles, e.g. Oil droplets described in water. Such a scattering cell was developed for the monitoring of oil present in water in the bast and bilge water of ships and can also be used in a system for the detection of the concentration of one or more types of oil suspended in water, as described in GB Pat. No. 8 206 027.

Die erfindungsgemässe Streuzellenanordnung weist die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. Besondere Ausführungsformen sind in den Patentansprüchen 2 und 3 beschrieben. The scatter cell arrangement according to the invention has the features specified in the characterizing part of patent claim 1. Particular embodiments are described in claims 2 and 3.

Die Erfindung wird anhand der nachstehenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt: The invention is explained in more detail with reference to the following description and the accompanying drawing. The drawing shows:

Fig. 1 etwas schematisch eine mehrwinklige Streuzelle mit einer einzigen Lichtquelle; Figure 1 somewhat schematically a multi-angle scatter cell with a single light source.

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer mehrwinkligen Streuzelle mit Mehrfachlichtquelle; 2 shows a first exemplary embodiment of a multi-angle scatter cell with a multiple light source;

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer mehrwinkligen Streuzelle mit einer Mehrfachlichtquelle; 3 shows a second exemplary embodiment of a multi-angle scatter cell with a multiple light source;

Fig. 4 ein Blockschema einer Auswerteschaltung; und Fig. 5 die Detektion der Streusignale durch eine Anordnung von optischen Fasern. 4 shows a block diagram of an evaluation circuit; 5 shows the detection of the scatter signals by an arrangement of optical fibers.

Fig. 1 zeigt eine mehrwinklige Streuzelle 1 mit einem Gehäuse 2, durch welches eine zu überwachende Flüssigkeit, z.B. Wasser mit darin suspendiertem Material fliessen kann, welches Gehäuse ein Eingangsfenster 3 für einfallendes Licht und eine Anzahl von Ausgangsfenstern 4, 5, 6 zum Empfang von durch das suspendierte Material gestreutem Licht. Der einfallende Lichtstrom kann durch einen nicht gezeigten IR-Festkörperlaser oder eine lichtemittierende Diode oder durch eine andere Lichtquelle erzeugt werden. Neben dem Fenster 3 ist eine Blende 7 montiert, um sicherzustellen, dass nur gestreutes Licht die Ausgangsfenster 4, 5 und 6 erreicht. In gewissen Anwendungen kann die Blende auch senkrecht zum einfallenden Lichtstrom montiert werden. Das gezeigte Gehäuse 2 hat einen kreisförmigen Querschnitt, quadratische oder rechteckige Zellen können jedoch auch verwendet werden. Fig. 1 shows a multi-angle scattering cell 1 with a housing 2, through which a liquid to be monitored, e.g. Water with material suspended therein can flow, which housing has an entrance window 3 for incident light and a number of exit windows 4, 5, 6 for receiving light scattered by the suspended material. The incident luminous flux can be generated by an IR solid-state laser, not shown, or a light-emitting diode or by another light source. A panel 7 is mounted next to the window 3 to ensure that only scattered light reaches the output windows 4, 5 and 6. In certain applications, the screen can also be installed perpendicular to the incident luminous flux. The housing 2 shown has a circular cross section, but square or rectangular cells can also be used.

Das die Fenster 4, 5 und 6 erreichende, gestreute Licht wird an entsprechende Photodetektoren 8, 9 und 10 angelegt, welche direkt an den Ausgangsfenstern montiert sein können, oder, wie im gezeigten Fall, über Lichtleitfasern 11 angeschlossen sind. Vorteilhafterweise weist die Streuzelle ein weiteres Ausgangsfenster 12 und einen zugehörigen, nichtgezeigten Detektor auf, durch welchen die Intensität des einfallenden Lichtstrahles überwacht und z.B. mit Hilfe eines Elementes 13 für die automatische Verstärkungsgradregelung des Treiberstromes der Senderlichtquelle verwendet werden kann, um Änderungen in der Intensität des einfallenden Lichtes zu kompensieren. The scattered light reaching the windows 4, 5 and 6 is applied to corresponding photodetectors 8, 9 and 10, which can be mounted directly on the output windows or, as in the case shown, are connected via optical fibers 11. The scatter cell advantageously has a further output window 12 and an associated detector, not shown, through which the intensity of the incident light beam is monitored and e.g. can be used with the help of an element 13 for the automatic gain control of the driver current of the transmitter light source in order to compensate for changes in the intensity of the incident light.

Die Ausgänge der Photodetektoren 8, 9, 10 sind mit der Empfängerelektronik z.B. einem Mikroprozessor 14 gekoppelt, der so programmiert sein kann, dass er die Konzentration des suspendierten Materials aus den absoluten und relativen Werten der PhotodetektorauSgangssignale errechnen kann. Dies ist möglich, weil die winkelmässige Streuung des Lichtes durch das suspendierte Material, z.B. Öltröpfchen und Rost eine Funktion der Verteilung der Konzentration und der Partikelgrösse ist. Im allgemeinen streuen kleinere Partikel Licht um einen grössern Winkel als grössere Partikel. Die Lichtintensität wird daher unter einer Anzahl von Winkeln gemessen, und die Signalstärken werden so berechnet, dass die relative Partikelkonzentration gemessen werden kann. Es ist aber auch möglich, eine Information über die ungefähre Partikelgrösse zu erhalten. Unter der Voraussetzung, dass die Partikelgrössen oder die Brechungsindizes der Komponenten des strömenden Mediums hinreichend unterschiedlich sind, kann daher unter Verwendung einer mehrwinkligen Detektion eine on-line-Diskriminierung gemacht werden. The outputs of the photodetectors 8, 9, 10 are connected to the receiver electronics e.g. a microprocessor 14, which can be programmed so that it can calculate the concentration of the suspended material from the absolute and relative values of the photodetector output signals. This is possible because the angular scattering of the light through the suspended material, e.g. Oil droplets and rust is a function of the distribution of concentration and particle size. In general, smaller particles scatter light at a greater angle than larger particles. The light intensity is therefore measured at a number of angles and the signal strengths are calculated so that the relative particle concentration can be measured. However, it is also possible to obtain information about the approximate particle size. Provided that the particle sizes or the refractive indices of the components of the flowing medium are sufficiently different, on-line discrimination can therefore be made using multi-angle detection.

Insbesondere, aber nicht ausschliesslich im Falle von quadratischen oder rechteckigen Zellen kann die Empfängerelektronik so sein, dass die Detektoren, die Festkörperdetektoren sein können, und die zugehörigen Vorverstärker auf einer einzigen Druckschaltungsplatte montiert werden können, die direkt mit der Zelle verbunden ist. Auf der gleichen Druckschaltungsplatte können auch der Mikroprozessor 14, die Lichtquelle und das Verstärkungsgradregelelement 13 und andere notwendige Elemente montiert sein, so dass sich ein für den Einbau in eine Leitung geeigneter intelligenter Sensor ergibt, dessen Ausgänge mit Anzeige- oder Steuerelementen verbunden werden können. In particular, but not exclusively, in the case of square or rectangular cells, the receiver electronics can be such that the detectors, which can be solid-state detectors, and the associated preamplifiers can be mounted on a single printed circuit board which is connected directly to the cell. The microprocessor 14, the light source and the gain control element 13 and other necessary elements can also be mounted on the same printed circuit board, so that there is an intelligent sensor suitable for installation in a line, the outputs of which can be connected to display or control elements.

Während die Streuzellen und die zugehörigen Detektoren, wie sie im oben erwähnten GB-Pat. Nr. 1 588 862 und in der GB-Pat. Anmeldung Nr. 8 206 027 beschrieben wurden, hauptsächlich für die Überwachung von Öl und Partikeln wie Rost oder Schlamm im Wasser entwickelt wurden, können solche Streuzellen und Detektorsysteme in irgendwelchen Rohrsystemen verwendet werden, durch welche relativ transparente Flüssigkeiten befördert werden, wobei wegen des schnellen Ansprechens der Zellen diese besonders geeignet sind für einen on-line-Betrieb in solchen Rohrleitungssystemen. Relativ transparente Flüssigkeiten sind notwendig, da das Licht durch die Zelle übertragen werden muss. While the stray cells and associated detectors, as described in GB Pat. No. 1,588,862 and in GB Pat. Application No. 8,206,027, mainly developed for the monitoring of oil and particles such as rust or sludge in water, such scattering cells and detector systems can be used in any pipe systems through which relatively transparent liquids are conveyed, due to the quick response The cells are particularly suitable for on-line operation in such piping systems. Relatively transparent liquids are necessary because the light has to be transmitted through the cell.

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Es wurde nun festgestellt, dass eine Streuzelle in verschiedenen industriellen Rohrleitungssystemen verwendbar ist, wenn mehr als eine Lichtquelle zusammen mit einer geeigneten Anzahl von Detektoren verwendet wird. Die Verwendung von mehr als einer Lichtquelle ermöglicht, dass eine Mehrzahl von Parametern einer durch das System fliessenden Flüssigkeit gleichzeitig überwacht werden können. Eine solche Streuzelle mit mehreren Quellen ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Es sind zwei Lichtquellen oder Fenster 15, 16 für solche Quellen vorhanden, ferner eine Anordnung von Detektoren oder Fenster für solche Detektoren 17, 18, 19 und 20 zusammen mit einer geeignet angeordneten Blende 21, welche verhindert, dass ungestreutes Licht die Detektoren oder deren Fenster erreicht. Eine andere Form einer Streuzelle mit mehreren Quellen ist in Fig. 3 gezeigt. Bei dieser Anordnung sind zwei Quellen oder Fenster für Quellen 22 und 23 achsial um einen Abstand d längs der Länge des Zellengehäuses 23 angeordnet, wobei die Fliessrichtung durch die Zelle durch den Pfeil A angegeben ist. Zu jeder Quelle oder deren Fenster gehört ein Satz von Detektoren oder Fenster 24, 25 und 26, 27, welche mit den entsprechenden Quellen ausgerichtet sind. Der Abstand der Quellen längs der Länge der Zelle ist für einige Arten von optischen Systemen zur Bestimmung der Durchflussrate notwendig. Optische Verfahren zur Bestimmung der Durchflussrate umfassen unter anderem die Verwendung von Laufzeit, Leistungsspektrum oder Kreuz-Korrelation. Beispiele von Verfahren zur Bestimmung der Durchflussraten von Flüssigkeiten unter Verwendung von Lichtstrahlen sind in den GB-Pat. Anmeldungen 8 206 028 und 8 206 031 beschrieben. In der erstgenannten Anmeldung wird die Geschwindigkeit einer durch ein Rohr fliessenden Flüssigkeit aus Berechnungen der Phasenwinkeldifferenz für unterschiedliche Frequenzwerte zwischen zwei in Fliessrichtung voneinander beabstandeten, durch die Flüssigkeit übertragenen optischen Signale erhalten. Die Neigung der Phasenwinkelkurve hat eine bestimmte Beziehung zur Laufzeit einer bestimmten Störung im FIuss zwischen den beiden optischen Signalen, also zur Fliessgeschwindigkeit. Die elektronische Schaltung zur Durchführung der Fliessgeschwindigkeitsberechnung kann einen Mikroprozessor und eine Schaltung zur Durchführung eine Fourier-Transformation aufweisen. In der zweitgenannten Anmeldung wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, dass ein Lichtsignal beim Durchgang durch einen Flüssigkeitsstrom, wie er beim Fliessen einer Flüssigkeit in einem Rohr vorhanden ist, moduliert wird. Durch Detektion des modulierten Signales und durch Anwendung einer schnellen Fourier-Transformation wird ein Leistungsspektrum erhalten. Die Fliessgeschwindigkeit v kann dann errechnet werden mit Hilfe einer Gleichung v = Kfc, wobei K eine Konstante und fc die Grenzfrequenz für das erste Minimum im Leistungsspektrum ist. It has now been found that a scatter cell can be used in various industrial piping systems if more than one light source is used together with an appropriate number of detectors. The use of more than one light source enables a plurality of parameters of a liquid flowing through the system to be monitored simultaneously. Such a scatter cell with several sources is shown schematically in FIG. 2. There are two light sources or windows 15, 16 for such sources, furthermore an arrangement of detectors or windows for such detectors 17, 18, 19 and 20 together with a suitably arranged diaphragm 21, which prevents undistorted light from the detectors or their windows reached. Another form of multi-source scatter cell is shown in FIG. In this arrangement, two sources or windows for sources 22 and 23 are arranged axially by a distance d along the length of the cell housing 23, the direction of flow through the cell being indicated by the arrow A. Each source or its window has a set of detectors or windows 24, 25 and 26, 27 that are aligned with the corresponding sources. The distance of the sources along the length of the cell is necessary for some types of optical systems to determine the flow rate. Optical methods for determining the flow rate include the use of runtime, power spectrum or cross-correlation. Examples of methods for determining the flow rates of liquids using light beams are described in GB Pat. Applications 8 206 028 and 8 206 031 are described. In the first-mentioned application, the speed of a liquid flowing through a tube is obtained from calculations of the phase angle difference for different frequency values between two optical signals which are spaced apart from one another in the direction of flow and are transmitted through the liquid. The inclination of the phase angle curve has a certain relationship to the running time of a certain disturbance in the flow between the two optical signals, that is to the flow rate. The electronic circuit for carrying out the flow velocity calculation can have a microprocessor and a circuit for carrying out a Fourier transformation. The second application makes use of the fact that a light signal is modulated when passing through a liquid flow, such as is present when a liquid flows in a tube. A power spectrum is obtained by detecting the modulated signal and by using a fast Fourier transform. The flow velocity v can then be calculated using an equation v = Kfc, where K is a constant and fc is the cutoff frequency for the first minimum in the power spectrum.

Wenn die zwei oder mehr Quellen einer mehrwinkligen Streuzelle je Licht mit unterschiedlicher Wellenlänge als Eingangslicht verwenden, dann kann eine Farbmessung für die Flüssigkeit erhalten werden. Ein einzelner Sensor mit mehreren Quellen und Mehrfachstreuung erlaubt also zusammen mit einem Mikroprozessor und andern geeigneten Elektronikschaltungen die gleichzeitige on-line-Messung einer Flüssigkeit in be-zug auf z.B. Partikelkonzentration, Farbe und Fliessrate, da der Mikroprozessor mehrere gleichzeitige Berechnungen durchführen kann. If the two or more sources of a multi-angle scatter cell each use light with different wavelengths as input light, then a color measurement for the liquid can be obtained. A single sensor with multiple sources and multiple scattering, together with a microprocessor and other suitable electronic circuits, allows simultaneous online measurement of a liquid with respect to e.g. Particle concentration, color and flow rate because the microprocessor can perform several simultaneous calculations.

Bei einem solchen Sensor, welcher an sich erforderlich ist zur Messung der Trübung oder der Farbe, kann die Fliessraten-messung verwendet werden für einen einfachen Alarm für Fliessen oder nicht Fliessen. Änderungen im Fliessen können Änderungen bei der Streumessung bewirken, bei kombinierten Messungen für Fliessen und Konzentration kann jedoch eine Kompensation automatisch ausgeführt werden. With such a sensor, which is required per se for measuring the turbidity or the color, the flow rate measurement can be used for a simple alarm for flowing or not flowing. Changes in the flow can cause changes in the scatter measurement, but in the case of combined measurements for flow and concentration, compensation can be carried out automatically.

Da eine on-line-Messung der Partikelgrösse mit Detektoren unter zwei oder drei Winkeln möglich ist, können grundsätzliche Änderungen der Partikelgrösse beobachtet und zugehörige Alarme gegeben werden. Dies kann z.B. verwendet werden bei Hydraulikflüssigkeiten oder Brennstoffen. Insbesondere kann das Dunklerwerden, wenn die Qualität eines Öles schlechter wird, angezeigt oder es kann das plötzliche Auftreten von grossen Partikeln nach Ausfall eines Filters zum Auslösen eines Alarmes benützt werden. Since an online measurement of the particle size is possible with detectors at two or three angles, fundamental changes in the particle size can be observed and associated alarms can be given. This can e.g. are used for hydraulic fluids or fuels. In particular, the darkening can occur when the quality of an oil deteriorates, or the sudden appearance of large particles after a filter has failed can be used to trigger an alarm.

Die mit der Streuzelle verwendete Elektronik ist im wesentlichen durch die Art der Messung und der erforderlichen Rechnungen bestimmt, sie kann jedoch im wesentlichen gleich sein wie jene in der erwähnten GB-Pat. Anmeldung Nr. 8 206 027 mit der Ausnahme, dass zusätzliche Quellen und Detektoren entsprechende Elektronik erfordern und Fliessratenberechnun-gen entsprechende Rechenmittel notwendig machen. Mit Chips für Mikroprozessoren, rasche Fourier-Transformation und Kreuz-Korrelation sind solche Berechnungen nun mit Mitteln möglich, welche relativ wenig Raum benötigen und daher direkt auf der Streuzelle montiert werden können, so dass damit ein intelligenter on-line-Sensor entsteht. The electronics used with the scatter cell is essentially determined by the type of measurement and the calculations required, but it can be essentially the same as that in the mentioned GB Pat. Registration No. 8 206 027 with the exception that additional sources and detectors require appropriate electronics and flow rate calculations require appropriate computing means. With chips for microprocessors, rapid Fourier transformation and cross-correlation, such calculations are now possible with means that require relatively little space and can therefore be mounted directly on the scatter cell, so that an intelligent online sensor is created.

Eine mögliche Ausführungsform einer elektronischen Schaltung zur Verwendung mit einer mehr winkligen Streuzelle mit mehreren Quellen ist schematisch in Fig. 4 gezeigt und verwendet digitale Verarbeitungstechniken. Jeder Lichtquelle SI, S2 sind drei Detektoren Dil, Di2, D(3 bzw. D2I, D22, Ü23 zugeordnet. Die Ausgangssignale der Detektoren Dil, Di2, Di3 sind über entsprechende Verstärker AI, A2, A3 an zugehörige Ab-tast/Halte-Schaltungen 30, 31, 32 angelegt. Die Ausgangssignale der Detektoren D2I, D22, D23 sind über entsprechende Verstärker A4, A5, A6 an zugehörige Abtast/Halte-Schaltungen 33, 34, 35 angelegt. Die Ausgänge der Detektoren Di 1 und D2I, die zu den direkten Lichtpfaden durch die Zelle gehören, sind auf die entsprechenden Treiberschaltungen LD1 und LD2 zurückgeführt, so dass sich automatische Verstärkungsgradregel-schleifen ergeben, um sowohl Alterung als auch Drift der Lichtquellen zu kompensieren, was eine kontinuierliche Kalibrierung der Detektoranordnung ermöglicht. Die Ausgänge der Abtast/-Halte-Schaltungen 30, 31, 32 und ein Ausgang der Treiberschaltung LD1 sind an einen A/D-Wandler 36 angelegt, während die Ausgänge der Abtast/Halte-Schaltungen 33, 34, 35 und ein Ausgang der Treiberschaltung LD2 an einen A/D-Wandler 37 angelegt sind. Die Wandlerausgänge sind an einen geeignet programmierten Mikroprozessor 38 angelegt, der die geeigneten Chips für allfällig notwendige Fourier-Transformation und für Kreuz-Korrelation enthält und dessen Ausgänge an geeignete Anzeige- und/oder Regelelemente angelegt werden können. One possible embodiment of an electronic circuit for use with a more angular scatter cell with multiple sources is shown schematically in FIG. 4 and uses digital processing techniques. Each light source SI, S2 is assigned three detectors Dil, Di2, D (3 or D2I, D22, Ü23. The output signals of the detectors Dil, Di2, Di3 are sent to corresponding scanning / holding devices via corresponding amplifiers AI, A2, A3. Circuits 30, 31, 32. The output signals of the detectors D2I, D22, D23 are applied via corresponding amplifiers A4, A5, A6 to associated sample / hold circuits 33, 34, 35. The outputs of the detectors Di 1 and D2I, the The direct light paths through the cell are attributed to the corresponding driver circuits LD1 and LD2, so that automatic gain control loops result in order to compensate for both aging and drift of the light sources, which enables the detector arrangement to be continuously calibrated Sample / hold circuits 30, 31, 32 and an output of driver circuit LD1 are applied to an A / D converter 36, while the outputs of sample / hold circuits 33, 34, 35 and an output of Tre are connected to an A / D converter 37. The converter outputs are applied to a suitably programmed microprocessor 38, which contains the suitable chips for any Fourier transformation and cross-correlation that may be necessary and whose outputs can be applied to suitable display and / or control elements.

Optische Messtechniken können hoch stabile Messungen in schwieriger Umgebung z.B. für Fluss- und Turbulenzstudien abgeben. Z.B. kann auf optischem Weg ein kleinerers Volumen in einem Fliessprofil als mit Ultraschall erreicht werden, wodurch die Bandbreite von für die Verarbeitung zur Verfügung stehenden Information grösser ist. Die gleichen on-line-Streu-zellen können also verwendet werden für die kontinuierliche und parallele Messung von a) der Fliessrate, b) der Konzentration von drei Komponenten (z.B. Öl, Wasser, Rost) und c) des Fliessprofils. Die Analyse des Leistungsspektrums, die Algorithmen und Steuerfunktionen können alle in einem Mikroprozessorchip ausgeführt werden. Besondere Anwendungen, bei welchen ein solcher intelligenter on-line-Sensor vorteilhaft ist, umfassen die Überwachung von Verdampferkondensat; Überwachung von Partikeln in Reinwasser in der Halbleiterindustrie; Reinraum, Plattenspeicher, Elektronik, Computertechnologie; Überwachung von intravenösen Flüssigkeiten, Überwachung von physiologischer Kochsalzlösung in Spitälern, Überwachung der Abfallemission z.B. von Raffinerien oder Kraftwerken; Ausgangssteuerung von Hydrozyklonen (z.B. kann die Ölkonzentrationsmessung benützt werden zur Steuerung der Ausgangsdüse eines Hydrozyklons). Der Grad der Trennung Optical measurement techniques can make highly stable measurements in difficult environments e.g. submit for flow and turbulence studies. E.g. a smaller volume in a flow profile can be achieved optically than with ultrasound, as a result of which the range of information available for processing is greater. The same on-line scatter cells can therefore be used for the continuous and parallel measurement of a) the flow rate, b) the concentration of three components (e.g. oil, water, rust) and c) the flow profile. The analysis of the performance spectrum, the algorithms and control functions can all be carried out in a microprocessor chip. Particular applications in which such an intelligent on-line sensor is advantageous include the monitoring of evaporator condensate; Monitoring of particles in pure water in the semiconductor industry; Clean room, disk storage, electronics, computer technology; Monitoring intravenous fluids, monitoring physiological saline in hospitals, monitoring waste emissions e.g. from refineries or power plants; Output control of hydrocyclones (e.g. the oil concentration measurement can be used to control the output nozzle of a hydrocyclone). The degree of separation

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kann abhängig sein von der Partikelgrösse der Öltröpfchen. Die Ausgangsdüse kann verengt oder erweitert werden in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Streuzelle, d.h. der Sensor wird für die Überwachung und die Steuerung verwendet, weiter kann der Sensor in der chemischen und in der Nahrungsmittelindustrie benützt werden, ferner für die Überwachung von Wasser in Ölen und Brennstoffen und zur Überwachung von Wasser in Gasströmen. can depend on the particle size of the oil droplets. The output nozzle can be narrowed or expanded depending on the output signal of the scattering cell, i.e. the sensor is used for monitoring and control, the sensor can also be used in the chemical and food industries, for monitoring water in oils and fuels and for monitoring water in gas flows.

Der Sensor kann verwendet werden für die Überwachung von Festkörpern in Gasen und insbesondere zur Detektion eines Salzüberschusses in einem Gasstrom, um Situationen festzustellen, bei welchen die Gefahr besteht, dass Salz auskristallisiert und die Gasmengenmessung nachteilig beeinflusst. Es besteht auch die Notwendigkeit, Wasser in einem Erdgasstrom festzustellen, üblicherweise bei einem Pegel von ungefähr 1.10"^-kg/m3 mit einer Genauigkeit von ± 10%, was mit dem intelligenten Sensor erreicht werden kann. Bei Verwendung des Sensors zur Detektion der Änderung der Partikelgrösse in einem Hydraulikölstrom ergibt sich die Möglichkeit, den Punkt zu identifizieren, bei welchem eine erhöhte Abnützung vorkommt. Bei einer ähnlichen Anwendung zur Überwachung des Öls eines Flugzeugtriebwerkes kann ein voraussichtlicher Triebwerkausfall detektiert werden. Durch Überwachung des Wassergehaltes in Gaskondensaten können Korrosion und andere ungünstige Einwirkungen minimalisiert werden. Partikel in Gasströmen können detektiert werden z.B. nach der Förderung. Der Sensor erlaubt die Detektion von geringen Mengen von Festkörpern in Wasser was von besonderer Wichtigkeit ist bei der Wasserversorgung von Halbleiter-Herstellerwerken. The sensor can be used for the monitoring of solids in gases and in particular for the detection of an excess of salt in a gas stream in order to determine situations in which there is a risk that salt crystallizes out and adversely affects the gas quantity measurement. There is also a need to detect water in a natural gas stream, usually at a level of approximately 1.10 "^ - kg / m3 with an accuracy of ± 10%, which can be achieved with the intelligent sensor. When using the sensor to detect the change The particle size in a hydraulic oil flow gives the opportunity to identify the point at which increased wear occurs. In a similar application for monitoring the oil of an aircraft engine, an expected engine failure can be detected. By monitoring the water content in gas condensates, corrosion and other unfavorable conditions can occur Effects can be minimized Particles in gas streams can be detected, for example, after conveying The sensor allows the detection of small amounts of solids in water, which is of particular importance in the water supply of semiconductor manufacturing plants.

Der oben beschriebene Sensor verwendet nur eine geringe Anzahl von diskreten Detektoren oder im Zellengehäuse angeordneten Detektorfenstern. Es ist jedoch auch möglich, eine vollständige Anordnung von faseroptischen Detektoren rund s umd die Messzelle vorzusehen. Dadurch wird nicht nur die Auflösung verbessert, sondern es sind auch zusätzliche Informationen erhältlich und es wird der Nachteil der relativ grossen physikalischen Dimensionen von verkapselten Siliziumdetektoren und die Schwierigkeit, diese nahe beieinander zu montieren, io vermieden. Typischerweise haben optische Fasern einen äussern Durchmesser von 200 |im und sie können so um eine Zelle herum angeordnet werden wie dies z.B. in Fig. 5 in einer Lichtleiteranordnung 40 zusammen mit einem Detektorsystem 41 und einem Abtastsystem 42 gezeigt ist. Dies ermöglicht eine konti-15 nuierliche on-line Partikelgrössemessung mit automatischem Auslesen der Vorwärts- und Rückwärts-Streuprofile. The sensor described above uses only a small number of discrete detectors or detector windows arranged in the cell housing. However, it is also possible to provide a complete arrangement of fiber-optic detectors around the measuring cell. This not only improves the resolution, but also provides additional information and avoids the disadvantage of the relatively large physical dimensions of encapsulated silicon detectors and the difficulty of mounting them close to one another. Typically optical fibers have an outer diameter of 200 µm and can be arranged around a cell as e.g. 5 in a light guide arrangement 40 together with a detector system 41 and a scanning system 42 is shown. This enables continuous, on-line particle size measurement with automatic reading of the forward and reverse scatter profiles.

Die Streuzellen und die sie enthaltenden Sensoren sind besonders vorteilhaft für eine kontinuierliche industrielle on-line-Überwachung und für Steueranwendungen und zwar im Hin-20 blick auf deren Robustheit, das Nichtvorhandensein von beweglichen Teilen und die mögliche Genauigkeit und Unterscheidbarkeit unterschiedlicher Partikel. Sie ermöglichen die Überwachung der Konzentration von Partikeln und von Änderung derselben in Prozessströmen und können über einen weitern 25 Bereich von Konzentrationen angewendet werden, z.B. von 0 bis 2 ppm (±0,1 ppm) bei Anwendungen für Prozesswasser in der Halbleiterherstellung bis zu 0 bis 3000 ppm für Balastwas-ser von Tankschiffen oder bis zu 4000 ppm bei sehr dichten Strömen, wie sie in Hydrozyklonen vorkommen. The scatter cells and the sensors containing them are particularly advantageous for continuous industrial on-line monitoring and for control applications in terms of their robustness, the absence of moving parts and the possible accuracy and distinguishability of different particles. They enable the concentration of particles and their change in process streams to be monitored and can be applied over a wider range of concentrations, e.g. from 0 to 2 ppm (± 0.1 ppm) for applications for process water in semiconductor production up to 0 to 3000 ppm for balast water from tankers or up to 4000 ppm for very dense currents such as those found in hydrocyclones.

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3 Blätter Zeichnungen 3 sheets of drawings

Claims

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1. Streuzellenanordnung mit einem zum Führen eines Mediumflusses geeigneten Gehäuse (1) in einer vorgegebenen Richtung durch dieses Gehäuse, gekennzeichnet durch ein erstes, am Gehäuse angeordnetes Eingangsfenster (22), durch welches ein erster Lichtstrom in das Gehäuse in einer im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums verlaufenden Richtung eingelassen wird, einer ersten Vielzahl von Ausgangsfenstern (24, 25), welche im Abstand voneinander umfangsmässig über das Gehäuse in einer ersten, mit jenem ersten Eingangsfenster (22) gemeinsamen Ebene verteilt sind, welche im wesentlichen senkrecht zur Richtung des Mediumflusses ist, ein zweites Eingangsfenster (23) auf dem Gehäuse, zum Einlassen eines zweiten Lichtstroms in das Gehäuse in einer im wesentlichen senkrecht zur Richtung des Mediumflusses verlaufenden Richtung, eine zweite Vielzahl von Ausgangsfenstern (26, 27), welche im Abstand voneinander über den Umfang des Gehäuses in einer zweiten, mit jenem zweiten Eingangsfenster gemeinsamen Ebene verteilt sind, welche normal zur Richtung des Mediumflusses liegt, wobei jene erste Ebene bezüglich der Richtung des Mediumflusses in einem bestimmten Abstand (d) von jener zweiten Ebene angeordnet ist, sowie eine Anzahl von Fotodetektoren, welche jener ersten und zweiten Vielzahl von Ausgangsfenstern zugeordnet sind oder diese bilden, sowie einen Mikroprozessor (14), welcher auf Ausgangssignale jener Fotodetektoren anspricht, um Parameter des fliessenden Mediums zu errechnen, wenn dieses durch das Gehäuse fliesst. 1. Scatter cell arrangement with a housing (1) suitable for guiding a medium flow in a predetermined direction through this housing, characterized by a first input window (22) arranged on the housing, through which a first luminous flux into the housing in an essentially perpendicular to the flow direction of the medium extending direction, a first plurality of output windows (24, 25) which are spaced apart circumferentially from one another over the housing in a first plane common to that first input window (22), which is essentially perpendicular to the direction of the medium flow is, a second input window (23) on the housing, for admitting a second luminous flux into the housing in a direction substantially perpendicular to the direction of the medium flow, a second plurality of output windows (26, 27) which are spaced apart from one another over the circumference the housing in a second, with that second input Window common plane are distributed, which is normal to the direction of the medium flow, said first plane is arranged at a certain distance (d) from that second plane with respect to the direction of the medium flow, and a number of photodetectors, which of those first and second plurality of Output windows are assigned or form them, as well as a microprocessor (14) which responds to output signals of those photodetectors in order to calculate parameters of the flowing medium when it flows through the housing.

2. Streuzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotodetektoren eine Anzahl von optischen Fasern aufweisen, welche in einer Lichtleiteranordnung (40) um jenes Gehäuse (1) herum angeordnet sind. 2. Scatter cell arrangement according to claim 1, characterized in that the photodetectors have a number of optical fibers which are arranged in a light guide arrangement (40) around that housing (1).

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PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS

3. Streuzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (14) auf jenem Gehäuse (1) montiert ist. 3. Scatter cell arrangement according to claim 1, characterized in that the microprocessor (14) is mounted on that housing (1).