DE10204906A1 - Optische Sensoranordnung zur Detektion von Aerosolen - Google Patents
Optische Sensoranordnung zur Detektion von AerosolenInfo
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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.
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10204906A DE10204906A1 (de) | 2001-04-20 | 2002-02-06 | Optische Sensoranordnung zur Detektion von Aerosolen |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE20106918 | 2001-04-20 | ||
DE10204906A DE10204906A1 (de) | 2001-04-20 | 2002-02-06 | Optische Sensoranordnung zur Detektion von Aerosolen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10204906A1 true DE10204906A1 (de) | 2002-10-24 |
Family
ID=7956046
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE10204906A Withdrawn DE10204906A1 (de) | 2001-04-20 | 2002-02-06 | Optische Sensoranordnung zur Detektion von Aerosolen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE10204906A1 (de) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102004001357B4 (de) * | 2003-01-10 | 2013-01-31 | Horiba Ltd. | Ölnebel-Erkennungseinrichtung |
CN104422603A (zh) * | 2013-09-03 | 2015-03-18 | 陕西兴化化学股份有限公司 | 一种气氨介质中油气溶胶含量的快速分析方法 |
CN110727069A (zh) * | 2019-10-22 | 2020-01-24 | 西安西古光通信有限公司 | 一种微管生产纤膏填充*** |
CN113324953A (zh) * | 2021-05-27 | 2021-08-31 | 武汉大学 | 一种液体环境下的反射式光纤气体传感探头装置 |
-
2002
- 2002-02-06 DE DE10204906A patent/DE10204906A1/de not_active Withdrawn
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: TELEGAERTNER GERAETEBAU GMBH, 01774 HOECKENDORF, DE Owner name: E.ON RUHRGAS AG, 45138 ESSEN, DE |
|
8141 | Disposal/no request for examination |