DE10204906A1 - Optische Sensoranordnung zur Detektion von Aerosolen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Sensoranordnung zur Detektion von Aerosolen, insbesondere zur Ermittlung der Ölpartikelkonzentration in gasförmigen Medien und zum Einsatz in explosionsgeschützten Bereichen. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Aufgabe, die darin besteht, eine optische Sensoranordnung der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass ein dauerhafter Einsatz in explosionsgeschützten Bereichen unter hohen Druckverhältnissen möglich wird und dass auf konstruktiv einfahe Art und Weise eine schnelle Detektion von Aerosolen sowie eine variable Zurverfügungstellung der Messergebnisses ermöglicht wird, wird dadurch gelöst, dass die Sensoranordnung aus einem Aufnahmekörper (1) für die Sende- und Empfangsoptik und einer in einem vorgegebenen Abstand zum Aufnahmekörper (1) angeordneten elektronischen Sende- und Empfangseinheit besteht, die miteinander über Lichtwellenleiter verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Sensoranordnung zur De­ tektion von Aerosolen, insbesondere zur Ermittlung der Öl- partikelkonzentration in gasförmigen Medien und zum Einsatz in explosionsgeschützten Bereichen.

Das Detektieren von Aerosolen hat sich in verschiedenen Berei­ chen der Industrie als notwendig und vorteilhaft erwiesen. So beispielsweise beim Transport von Erdgas. Mit zunehmender Länge der Transportleitungen nimmt der Druck des Erdgases ab. Zur Druckerhöhung werden Verdichterstationen zwischengeschaltet. Allerdings unterliegen die Verdichter einem hohen Verschleiß, was dazu führt, dass infolge leckhafter Dichtungen Öl in nicht unerheblichen Mengen in die Gasleitungen gelangen kann, sich mit dem Gas zu einem Ölnebel vermischt und am Boden der Leitung absetzt. Dies führt neben erheblichen Ölverlusten auch zur per­ manenten Verschmutzung der Leitung. Eine ständige Kontrolle des Dichtungsbereiches ist mit erheblichem Montage- und Zeitaufwand verbunden.

Zur Minimierung des Ölverlustes werden daher bekanntermaßen Erdgasleitungen mit Absetzkästen zum Absetzen des Öles ausge­ stattet, die Sichtfenster aufweisen. Hierüber kann zumindest die Zunahme der Ölmenge über einen gewissen Zeitabschnitt kon­ trolliert werden, um Rückschlüsse auf die Dichtheit der Ver­ dichter und auf die Notwendigkeit der Einleitung weiterfüh­ render Maßnahmen ziehen zu können.

Bisher bekannt gewordene Sensortechnik ist in derartigen Ein­ satzfällen nicht verwendbar, da sie nicht den Bedingungen des Explosionsschutzes genügt und nicht für den Einsatz unter hohen Druckverhältnissen konzipiert ist.

So beschreibt beispielsweise das deutsche Gebrauchsmuster 297 10 396 U1 einen Faserdetektor und ein Messgerät zur Analyse des Streulichtes oder des Fluoreszenzlichtes an flüssigen Sus­ pensionen, der zur Beleuchtung der Suspension eine optische Fa­ ser aufweist, an deren Faserausgang eine Gradientenindexlinse und eine Sammellinse oder ein Sammellinsensystem zur weiteren Fokussierung des Laserstrahles angeordnet sind. Zur Detektion des zurückgestreuten Lichtes wird ebenfalls eine optische Faser eingesetzt, die gleiche optische Eigenschaften aufweist, an de­ rem Faserausgang eine Gradientenindexlinse angeordnet ist und die mit einem Photodetektor verbunden ist, wobei zur Fo­ kussierung des zurückgestreuten Lichtes dieselbe Sammellinse oder dasselbe Sammellinsensystem eingesetzt wird.

Hinweise dazu, wie Bedingungen des Explosionsschutzes einge­ halten werden können beziehungsweise, ob dieser Faserdetektor auch unter hohen Druckverhältnissen einsetzbar ist, können der Schrift nicht entnommen werden. Außerdem ist der optische Auf­ bau des Faserdetektors kostenintensiv.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine optische Sensoranord­ nung der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass ein dau­ erhafter Einsatz in explosionsgeschützten Bereichen unter hohen Druckverhältnissen möglich wird und dass auf konstruktiv einfa­ che Art und Weise eine schnelle Detektion von Aerosolen sowie eine variable Zurverfügungstellung der Messergebnisse ermög­ licht wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Sen­ soranordnung aus einem Aufnahmekörper für die Sende- und Emp­ fangsoptik und einer in einem vorgegebenen Abstand zum Aufnah­ mekörper angeordneten, elektronischen Sende- und Empfangseinheit besteht, die miteinander über Lichtwellenleiter verbunden sind.

Durch die örtlich getrennte Anordnung der optischen und der elektronischen Sende- und Empfangstechnik kann der Einsatz des Teils der Sensoranordnung, der ausschließlich optische Bauteile enthält, im explosionsgefährdeten Bereich erfolgen, während die Elektronik beziehungsweise Elektrik außerhalb dieses Bereiches anordenbar ist, ohne dass Messergebnisverfälschungen in Kauf genommen werden müssen.

Die elektronische Sende- und Empfangstechnik kann in ein Ge­ häuse eingebaut werden, das in Schaltschränken oder Bedienpul­ ten oder ähnliches an gut zugänglicher Stelle untergebracht werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung ist nicht nur einsetzbar in Ver­ dichterstationen zur Kontrolle und Überwachung des Ölaustritts in die Erdgasrohre, sondern beispielsweise auch zum Messen von Öldämpfen oder Ölnebeln in Dieselmotoren in Kraftwerken, auf Schiffen und dergleichen, in chemischen Anlagen, in Tankanlagen usw. Denkbar ist der Einsatz auch zur Erfassung und Über­ wachung von Rauch- oder Giftgasentwicklungen im Tunnel oder Un­ tertage.

Nach einer vorzugsweisen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist der Aufnahmekörper druckfest ausgebildet und weist Zugentlastungsmittel für optische Fasern und Befestigungsmittel zur Befestigung im direkten Detektionsbereich oder in seiner unmittelbaren Nähe auf.

Der Aufnahmekörper sollte aus einem Stahlwerkstoff oder einem anderen Material ausreichender Festigkeit hergestellt sein. Die einzusetzenden Befestigungsmittel sollten dem tatsächlichen Einsatzgebiet und den Gegebenheiten angepasst werden und können im einfachsten Fall aus einer Schraubverbindung bestehen.

Konstruktiv von Vorteil ist, wenn die Sendeoptik aus einer Glasfaser zum Aussenden des Lichtstrahles besteht, der mittels einer GRIN-Linse fokussiert und auf das zu detektierende Aero­ sol gerichtet wird und wenn die Empfangsoptik aus einer Linse mit großem Einstrahlwinkel für das vom Aerosol zurückreflek­ tierte Licht und einer Kunststofffaser besteht, in die das fo­ kussierte, rückreflektierte Licht eingekoppelt wird.

Mit dieser Lösung wird nicht angestrebt, für die Sende- und Empfangsoptik Mittel einzusetzen, die möglichst gleiche opti­ sche Eigenschaften aufweisen. Im Gegensatz dazu hat es sich als vorteilhaft erwiesen, für die Empfangsoptik eine Kunst­ stofffaser (POF-Faser) einzusetzen, die gegenüber der Glasfaser der Sendeoptik einen größeren Faserdurchmesser aufweist und da­ mit einen größeren Empfangswinkel für das einzukoppelnde, rück­ reflektierte Strahlenbündel realisiert. Der Kostenaufwand wird dadurch reduziert, dass für die Fokussierung des rück­ reflektierten Lichtes somit eine einfache Linse mit einem gro­ ßen Einstrahlwinkel eingesetzt werden kann, ohne dass zu­ sätzlich eine GRIN-Linse notwendig ist.

Der Einsatz der GRIN-Linse im Sendebereich bewirkt eine Bünde­ lung des Laserstrahles und damit eine Konzentration der aus der Glasfaser austretende, optischen Leistung auf einen kleinen Raumwinkel. Der physikalische Effekt der Rayleigh-Streuung be­ wirkt, dass das Licht der Öltröpfchen im Gas vornehmlich in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung gestreut wird, so dass sich aufgrund der Bündelung eine deutliche Erhöhung der aus gleicher Richtung betrachteten, rückgestreuten, optischen Leistung gegen­ über dem ungebündelten Laserstrahl ergibt.

Die GRIN-Linse und die Empfangslinse sind unmittelbar neben- oder übereinander angeordnet, wobei wenigstens die GRIN-Linse in bezug auf die Achse der Glasfaser zur Empfangslinse hin ge­ neigt angeordnet ist. Es wird so gewährleistet, dass die Sende- und die Empfangslinse möglichst nahe beieinander liegen, um ei­ nen möglichst großen Anteil des rückgestreuten Lichtes erfassen zu können.

Nach weiteren, vorteilhaften Fortbildungen ist vorgesehen, dass zur vereinfachten und exakten Positionierung der Glasfaser zum Zentrum der GRIN-Linse und/oder der Empfangslinse zur POF-Faser Lichtwellenleiter-Steckverbinder angeordnet sind.

Insbesondere zur Überbrückung der Weglänge zwischen dem opti­ schen Sende- und Empfangsteil und der elektronischen Sende- und Empfangseinheit ist erfindungsgemäß auch vorgesehen, weitere optische Steckverbindungen einzusetzen.

Nach einer anderen, vorzugsweisen Ausbildung der erfindungs­ gemäßen Lösung besteht die elektronische Sende- und Empfangs­ einheit aus einer Sendeschaltungsanordnung, die ein getaktetes Arbeiten der Lichtquelle gestattet.

Außerdem weist die Sendeschaltungsanordnung Mittel zur Überwa­ chung der Lichtquellenfunktion auf, um eventuelle Unterbrechun­ gen beziehungsweise funktionale Störungen sicher ausschalten beziehungsweise Messergebnissverfälschungen rechtzeitig erken­ nen zu können.

Der getaktete Betrieb, das heißt, das diskontinuierliche Strah­ len der Lichtquelle, unterbindet Messwertschwankungen und Mess­ wertverfälschungen, da der Einfluss des Tageslichtes aus dem Messsignal eliminiert werden kann.

Empfangsseitig ist auf schaltungstechnisch einfache Art und Weise vorgesehen, dass eine Schaltungsanordnung ausgebildet ist, die eine Fotodiode zum Empfangen des gepulsten Signals des von der Lichtquelle ausgestrahlten und zurückreflektierten Lichtes enthält, dass Mittel angeordnet sind, die das Signal in eine abgreifbare Messspannung umwandeln und einer Auswerte- oder Funktionsauslöseeinheit zur Verfügung stellen.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spieles näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt dabei eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aufnahmekör­ pers mit der Sende- und Empfangsoptik in Schnittdarstellung. Im Inneren des aus einem Edelstahlmaterial gefertigten Auf­ nahmekörpers 1 sind im wesentlichen parallel zueinander eine Glasfaser 2 in Multimodeausführung und eine POF-Faser 3 an­ geordnet, die an ihrem Eintrittsende in üblichen Kabelzug­ entlastungen 4 befestigt sind. Sie enden ausgangsseitig jeweils in einer Steckverbindung 5 für die Glasfaser 2 und einer Steck­ verbindung 6 für die POF-Faser 3.

Die beiden Fasern 2, 3 sind mit der örtlich von der Sende- und Empfangsoptik getrennt angeordneten und in der Zeichnung nicht dargestellten, elektronischen Sende- und Empfangseinheit ver­ bunden, das heißt, die Glasfaser 2 ist mit der Laserdiode, die in vorgegebenen Takten einen Laserstrahl hoher Intensität in die Glasfaser 2 einkoppelt, verbunden und die POF-Faser 3 mit einer Fotodiode, deren Ausgangssignal verstärkt wird und die das gepulste Signal des rückreflektierten Lichtes empfängt und in ein Gleichspannungssignal wandelt, verbunden. Dieses wird in verstärkter Form beispielsweise einer Auswerteeinheit oder ei­ ner Signal auslösenden Vorrichtung zur Verfügung gestellt.

Die Sende- und Empfangseinheit ist in einem geeigneten Gehäuse untergebracht, welches beispielsweise in einem Schaltschrank befestigt ist.

Mit dem Steckverbinder 5 steht eine GRIN-Linse 7 in Wirkver­ bindung, in der der Laserstrahl fokussiert wird und über einen Laserstrahlaustritt auf das Aerosol, beispielsweise den Öl­ nebel, gerichtet wird. Dies geschieht unter einem geringen Nei­ gungswinkel, das heißt, die Achse der GRIN-Linse 7 verläuft zur Achse der Empfangslinse 8 nicht parallel, sondern leicht in Richtung Empfangslinse 8 geneigt. Je dichter beide Linsen 7, 8 zueinander angeordnet sind und je geringer der Neigungswinkel der Achsen zueinander ist, um so größer ist die durch die Emp­ fangslinse 8 in die POF-Faser 3 eingekoppelte Leistung des rückgestreuten Lichtes.

Die POF-Faser 3 besitzt gegenüber der Glasfaser 2 einen größe­ ren Querschnitt, so dass die Einkopplung des gesamten durch die Empfangslinse 8 erfassten, rückgestreuten Lichtes in die POF- Faser 3 ohne Verluste möglich ist und zur beschriebenen Sende- und Empfangseinheit weitergeleitet werden kann.

Zur Befestigung des Aufnahmekörpers 1 sind an seinem äußeren Umfang Befestigungsmittel 9 in Form eines Sechskantflansches ausgebildet, der beispielsweise an einem entsprechend ausge­ bildeten Anschlussstutzen eines Erdgasrohres befestigt ist, um so ständig die Menge austretenden Ölnebels in das Erd­ gasrohr als Folge von Leckagen in Verdichterstationen zu er­ mitteln und auszuwerten. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf die Einleitung eventuell notwendiger Maßnahmen ziehen, die das Eindringen von Öl in die Gasleitung verhindern oder zu­ mindest verringern sollen.

Bezugszeichenliste

1

Aufnahmekörper

2

Glasfaser

3

POF-Faser

4

Kabelzugentlastung

5

Glasfasersteckverbinder

6

POF-Steckverbinder

7

GRIN-Linse

8

Empfangslinse

9

Befestigungsmittel

Claims (9)

1. Optische Sensoranordnung zur Detektion von Aerosolen, ins­ besondere zur Ermittlung der Ölpartikelkonzentration in gasförmigen Medien und zum Einsatz in explosionsgeschütz­ ten Bereichen, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung aus einem Aufnahmekörper (1) für die Sende- und Empfangsoptik und einer in einem vorgegebe­ nen Abstand zum Aufnahmekörper (1) angeordneten, elektro­ nischen Sende- und Empfangseinheit besteht, die miteinan­ der über Lichtwellenleiter verbunden sind.

2. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmekörper (1) druckfest ausgebildet ist, Zugentlastungsmittel (4) für optische Fasern (2, 3) und Befestigungsmittel (9) zur Be­ festigung im direkten Detektionsbereich oder in seiner un­ mittelbaren Nähe aufweist.

3. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 1 und 2, da­ durch gekennzeichnet, dass die Sendeop­ tik aus einer Glasfaser (2) zum Aussenden eines Licht­ strahles besteht, der mittels einer GRIN-Linse (7) fokus­ siert und auf das zu detektierende Aerosol gerichtet wird, dass die Empfangsoptik aus einer Linse (8) mit großem Emp­ fangswinkel für das vom Aerosol zurückreflektierte Licht und einer Kunststofffaser (3) besteht, in die das fokus­ sierte, rückreflektierte Licht eingekoppelt wird.

4. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass GRIN-Linse (7) und Emp­ fangslinse (8) unmittelbar neben- oder übereinander an­ geordnet sind, wobei wenigstens die GRIN-Linse (7) in bezug auf die Achse der Glasfaser (2) zur Empfangslinse (8) hin geneigt angeordnet ist.

5. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 3 und 4, da­ durch gekennzeichnet, dass zur Positio­ nierung der Glasfaser (2) zum Zentrum der GRIN-Linse (7) und/oder der Empfangslinse (8) zur POF-Faser (3) Lichtwel­ lenleiter-Steckverbinder (5, 6) angeordnet sind.

6. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, dass zur Verbindung der Sende- und Empfangsoptik mit der elektronischen Sende- und Empfangseinheit weitere optische Steckverbindungen vor­ gesehen sind.

7. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, dass die elektro­ nische Sende- und Empfangseinheit aus einer Sendeschal­ tungsanordnung besteht, die ein getaktetes Arbeiten der Lichtquelle gestattet.

8. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeschaltungs­ anordnung Mittel zur Überwachung der Lichtquellenfunktion aufweist.

9. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass empfangsseitig eine Schaltungsanordnung ausgebildet ist, die eine Fotodiode zum Empfangen des gepulsten Signal des von der Lichtquelle aus­ gestrahlten und zurückreflektierten Lichtes enthält, dass Mittel angeordnet sind, die das Signal in eine abgreifbare Messspannung umwandeln und einer Auswerte- oder Funktions­ auslöseeinheit zur Verfügung stellen.