SE465338B - SET AND DEVICE FOR THE DETECTION OF PARTICLES IN STREAMING MEDIA - Google Patents

Description

.465 338 2 bildar koniska ytor av ljus som utgår från stoftpartikeln och lyser upp skärmen med ljusa ringar centrerade runt fokus. åtskilda av mörka ringar. .465 338 2 forms conical surfaces of light emanating from the dust particle and illuminates the screen with bright rings centered around the focus. separated by dark rings.

Rörelse hos den ljusavböjande partikeln påverkar ej diffraktionsmönstret, eftersom parallella ljusstrålar alltid fokuseras på axeln och en given konisk avböjningsvinkel resulterar alltid i samma radiella förskjutning (s) i fokalplanet för det avböjde ljuset. För små avlänkningar ges avböj- ningsvinkeln av s/f, där f är linsens brännvidd.Movement of the light-deflecting particle does not affect the diffraction pattern, since parallel light rays are always focused on the axis and a given conical deflection angle always results in the same radial displacement (s) in the focal plane of the deflected light. For small deflections, the deflection angle is given by s / f, where f is the focal length of the lens.

Det förekommer olika metoder för att genom registrering av ljusintensite- ten hos de olika ljusringarna i diffraktionsmönstret dra slutsatser om partikelstorlekar. För registrering av ljusets intensitet används lämpliga typer av ljuskänsliga element.There are different methods for drawing conclusions about particle sizes by registering the light intensity of the different light rings in the diffraction pattern. Appropriate types of light-sensitive elements are used to register the intensity of the light.

TEKNIKENS STÅNDPUNKT Befintlig teknik för mätning av stoftpartiklars storlek bygger bland annat på användning av en laserstråle, som bringas att passera det område där studium av partikelförekomst och partikelstorlek skall genomföras. Med kännedom om små partiklars egenskap att sprida ljus och bilda ett diffrak- tionsmönster placeras en platta med fotokänsliga dioder i fokalplanet hos en lins som samlar ljuset till plattan. Fraunhoferdiffraktion uppträder på långt avstånd från spridningskällan, men med hjälp av en lins kan mönstret som skapas studeras på nära håll. Partiklar med en viss storlek ger upphov till ljusringar med kända radier och intensiteter. Ljusintensiteterna i olika ringar uppmäts med fotokänsliga_dioder. De insamlade mätvärdena ger då upplysning om förekomst av partiklar. partiklarnas storlek och mängd.PRIOR ART Existing technology for measuring the size of dust particles is based, among other things, on the use of a laser beam, which is brought to pass the area where the study of particle occurrence and particle size is to be carried out. With knowledge of the property of small particles to scatter light and form a diffraction pattern, a plate with photosensitive diodes is placed in the focal plane of a lens that collects the light to the plate. Fraunhofer diffraction occurs at a long distance from the source of scattering, but with the help of a lens, the pattern created can be studied up close. Particles of a certain size give rise to light rings with known radii and intensities. The light intensities in different rings are measured with photosensitive_diodes. The measured values then provide information on the presence of particles. the size and amount of the particles.

Känd utrustning syftar till att antingen mäta den totala massan eller storleksfördelningen hos partiklarna i ett strömmande medium. Mätning av partiklars totala massa ger i många fall otillräcklig information om par- tiklars sammansättning.Known equipment aims to either measure the total mass or the size distribution of the particles in a flowing medium. Measurement of the total mass of particles in many cases provides insufficient information about the composition of particles.

I de kända anordningarna för partikelmätning används ett stort antal foto- känsliga dioder på den nämnda skivan i fokalplanet. Dessa fotokänsliga dioder kan vara ordnade i ringar, kallade detektorringar, som var och en mäter ljus för en specifik radie hos de ljusringar, som det avböjda ljuset alstrar. Genom att mäta ljusets intensitet i de olika avböjningsvinklarna och föra de insamlade värdena till en dator för beräkningar kan de sökta 465 338 partikelegenskaperna och partikelfördelning bestämmas. Matematiken som ligger till grund för dessa beräkningar finns behandlad i artikeln "A Laser diagnostic technique for the measurement of droplet and particle size distribution" ur AIAA 14th Aerospace Science Meeting, Washington, D.C./January 26-28, 1976 av J. Swithenbank med flera. I den nämnda artikeln framgår hur en av en detektorring mottagen ljuseffekt kan beräknas med formeln 2 _ Hd 2 2 ' 2 2 P - P LN -z- [ JO(uS1) + lI(usl) - J0(us2) - JI(qs2)] O _ H-d Q _ ___ där P0 = avgiven nettoljuseffekt från lasern = mätvolymens längd = partikeltäthet (antal identiska partiklar/volymenhet) = ljusvåglängd L N d = partikeldiameter Ä s detektorringens innerradie/linsens fokallängd 1 S2 JO och J1 ordningen. detektorringens ytterradie/linsens fokallängd - är Besselfunktioner av nollte respektive första För att beräkna inhomogena partikelfördelningar med varierande partikel- storlekar inom mätvolymen behövs ett stort antal detektorer och ett mycket omfattande beräkningsarbete.In the known devices for particle measurement, a large number of photosensitive diodes are used on the said disk in the focal plane. These photosensitive diodes can be arranged in rings, called detector rings, each of which measures light for a specific radius of the light rings generated by the deflected light. By measuring the intensity of the light in the different deflection angles and transferring the collected values to a computer for calculations, the sought 465 338 particle properties and particle distribution can be determined. The mathematics on which these calculations are based is discussed in the article "A Laser diagnostic technique for the measurement of droplet and particle size distribution" from the AIAA 14th Aerospace Science Meeting, Washington, DC / January 26-28, 1976 by J. Swithenbank and others . In the mentioned article it is shown how a light effect received by a detector ring can be calculated with the formula 2 _ Hd 2 2 '2 2 P - P LN -z- [JO (uS1) + lI (usl) - J0 (us2) - JI (qs2 )] O _ Hd Q _ ___ where P0 = emitted net light power from the laser = length of the measuring volume = particle density (number of identical particles / volume unit) = light wavelength LN d = particle diameter Ä s inner radius of the detector ring / lens focal length 1 S2 JO and J1 order. the outer radius of the detector ring / focal length of the lens - are Bessel functions of zero and first, respectively. To calculate inhomogeneous particle distributions with varying particle sizes within the measuring volume, a large number of detectors and a very extensive calculation work are needed.

En annan teknik är att begagna i marknaden förekommande kvadratiska detektorer med en stor mängd fotodioder samlade i en matris. Genom att samla mätvärden från fotodioder som ligger på samma inbördes avstånd från detektorplattans medelpunkt kan samma funktion som med beskrivna ringde- tektorerna uppnås.Another technology is to use square detectors on the market with a large number of photodiodes collected in a matrix. By collecting measured values from photodiodes that are at the same mutual distance from the center of the detector plate, the same function as with the described ring detectors can be achieved.

De nämnda instrumenten såväl som befintliga besläktade typer är i första hand att betrakta som laboratorieinstrument och är ej anpassade för an- 'vändning i en industriell miljö. Mätsträckan är också starkt begränsad och 'omöjliggör installation i exempelvis rökgaskanaler inom industrianlägg- -465 338 u ningar. Ett instrument för mätning av partiklar i sådana anläggningar skulle, om det konstruerades enligt hittills använda principer, bli mycket kostsamt.The mentioned instruments as well as existing related types are primarily to be regarded as laboratory instruments and are not adapted for use in an industrial environment. The measuring distance is also very limited and makes it impossible to install in, for example, flue gas ducts in industrial plants. An instrument for measuring particles in such plants would, if constructed according to the principles used hitherto, be very costly.

Enkla, tillförlitliga instrument för kontinuerlig mätning över längre mät- sträckor, exempelvis breda rökgaskanaler, med funktion att ge larm vid uppträdande av partiklar över viss storlek eller inom visst storleksområde saknas. Dessutom är det önskvärt med instrument som har en högre känslig- het för större än för mindre partiklar i vissa tillämpningar, som i exem- pelvis denna uppfinnings applikationsområde. Här krävs ej ett generellt partikelmätinstrument, utan en anordning som kan ge larm vid för höga hal- ter av i sammanhanget relativt stora partiklar.Simple, reliable instruments for continuous measurement over longer measuring distances, for example wide flue gas ducts, with the function of giving alarms when particles over a certain size or within a certain size range are missing. In addition, instruments having a higher sensitivity to larger than to smaller particles are desirable in certain applications, such as in the field of application of this invention, for example. This does not require a general particle measuring instrument, but a device that can give an alarm in the event of excessive levels of relatively large particles in the context.

Det existerar en mängd instrument för partikelmätning av olika slag, men inte något känt med det starka storleksberoende som krävs av instrument i denna uppfinning. Vad som söks är en anordning där den elektriska utsigna- ' len från denna är beroende av uppträdande partikeldiametrar med minst en faktor diametern upphöjt till 6. Anledningen härtill är att erosivitetens beroende av partikeldiametrar i en gasturbin följer ungefär detta funk- tionssamband, dvs i vilken grad förslitningen av gasturbinens komponenter beror av genomströmmande partiklars storlekar.There are a variety of particle measurement instruments of various kinds, but nothing is known about the strong size dependence required of instruments in this invention. What is sought is a device in which the electrical output signal therefrom is dependent on occurring particle diameters by at least one factor diameter raised to 6. The reason for this is that the dependence of erosivity on particle diameters in a gas turbine follows approximately this functional relationship, i.e. in which The degree of wear of the components of the gas turbine depends on the sizes of the flowing particles.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Gasturbiner kan användas för att utvinna restenergi ur rökgaser vid kraft- anläggningar eldade med fasta bränslen. För att snabbt kunna konstatera om partiklar som verkar eroderande på turbinerna börjar uppträda i rökgaserna har ett instrument framtagits. Detta instrument skall varna när större partiklar över viss storlek eller inom visst storleksintervall detekteras.DESCRIPTION OF THE INVENTION Gas turbines can be used to extract residual energy from flue gases at power plants fired with solid fuels. In order to be able to quickly determine whether particles that have an erosive effect on the turbines begin to appear in the flue gases, an instrument has been developed. This instrument should warn when larger particles over a certain size or within a certain size range are detected.

Den uppmätta ljuseffekten i en enda detektorring är en funktion av en ljusspridande partikels diameter enligt formeln ovan. I princip skulle en ring i sig vara tillräcklig för att ge information om den analyserade partikelns storlek. Problemet är att det är omöjligt att avgöra om den uppmätta ljuseffekten härrör från en enda större partikel eller från många smärre stoftkorn som var och en sprider ljus och samverkar till det upp- mätta värdet på ljuseffekten. - 5 465 538 När uppmätt effekt pà ljuset som faller på olika detektorringar omvandlas till elektriska signaler har man vid prov kunnat konstatera att skillnaden i signalnivå mellan utsignalerna från två detektorringar med olika stora diametrar ger en skillnadssignal, som växer snabbare än signalnivån hos en enda detektorring vid registrerade ökande partikelstorlekar. Närmare studium av skillnadssignalen ger vid handen att denna signal beror av partikelstorleken över ett vidsträckt storleksintervall med en faktor d upphöjt till 6. Detta är ett tidigare ej omnämnt förhållande.The measured light effect in a single detector ring is a function of the diameter of a light scattering particle according to the formula above. In principle, a ring per se would be sufficient to provide information about the size of the analyzed particle. The problem is that it is impossible to determine whether the measured light effect originates from a single larger particle or from many smaller dust grains, each of which emits light and interacts with the measured value of the light effect. - 5 465 538 When measured power on the light falling on different detector rings is converted into electrical signals, it has been found in tests that the difference in signal level between the output signals from two detector rings with different large diameters gives a difference signal which grows faster than the signal level of a single detector ring at registered increasing particle sizes. Closer study of the difference signal suggests that this signal depends on the particle size over a wide size range with a factor d raised to 6. This is a previously not mentioned ratio.

Att skillnadssignalen_uppför sig sålunda beror på att i uttrycket för ljuseffekten kommer dominerande termer i beroende av partikeldiametrar av fjärde ordningen att subtraheras bort. Besselfunktionen J0(x) i ljus- effektformeln ovan kan utvecklas i en jämn potensserie, se exempelvis Handbook of Mathematical Functions, National Bureau of Standards, 1964, avsnitt 9.4, med följande utseende Jon) = A + Bxz + ox" + där A, B, C är konstanter medan Besselfunktionen J1(x) har en udda potensserieutveckling enligt J1(x) = Dx + EX3 + Fx5 + ... där D. E, F är konstanter I formeln för den mottagna ljuseffekten ingår Besselfunktionerna som kvadratiska faktorer, varför en potensserieutveckling av den mottagna ljuseffekten innehåller enbart jämna kvadrater på argumentet och kan efter förenkling skrivas som P1 = Aldq + B1d6 + C1d8 + ... där P är ljuseffekt d är partikeldiameter A1, Bl, Cl osv konstanter för en första detektorring, förutsatt att ljusvåglängden och instrumentets g geometri betraktas som fixa. För en andra-detektorring kan den mottagna '4e5 sas 6 ljuseffekten skrivas du + B2d6 + C d8 + ...That the difference signal_behaves thus is due to the fact that in the expression of the light effect, dominant terms depending on particle diameters of the fourth order will be subtracted away. The Bessel function J0 (x) in the light effect formula above can be developed in an even power series, see for example Handbook of Mathematical Functions, National Bureau of Standards, 1964, section 9.4, with the following appearance Jon) = A + Bxz + ox "+ where A, B, C are constants while the Bessel function J1 (x) has an odd power series development according to J1 (x) = Dx + EX3 + Fx5 + ... where D. E, F are constants The formula for the received light effect includes the Bessel functions as quadratic factors, why a power series development of the received light power contains only even squares on the argument and can after simplification be written as P1 = Aldq + B1d6 + C1d8 + ... where P is light power d is particle diameter A1, B1, Cl etc. constants for a first detector ring, provided that the light wavelength and the geometry of the instrument are considered to be fixed.For a second detector ring, the received '4e5 sas 6 light effect can be written + B2d6 + C d8 + ...

P2 = A 2 2 För bland annat de partikelstorlekar som är aktuella i rökgaser gäller att varje föregående term är mycket större till sitt belopp än den efterfölj- ande termen. Ljuseffektvärdet P1 domineras alltså av termen Alda och ljus- (to effektvärdet för den andra detektorringen P2 av termen Azdu. Om detektor- ringarna utformas så att alla delfaktorer i konstanterna Al och A2 påver- kas att göra A1 och A2 lika, så kommer skillnaden i mottagen ljuseffekt att bli 8 _ 6 P1 - P2 _ (Bl - BZ)-a + (cl c -d + .,. 2) där den första termen (Bl - BZ)-d6 är dominerande och därav följer att Pl - P2 är i det närmaste proportionell mot d6, vilket är det sökta _ - storleksberoendet. Proportionaliteten är mycket svår att verifiera kvantitativt, men stöds av experimentella utvärderingar.P2 = A 2 2 For, among other things, the particle sizes that are relevant in flue gases, each previous term is much larger in amount than the following term. The light power value P1 is thus dominated by the term Alda and the light (two power value for the second detector ring P2 by the term Azdu. If the detector rings are designed so that all sub-factors in constants A1 and A2 are affected to make A1 and A2 equal, then the difference in received light effect to become 8 _ 6 P1 - P2 _ (Bl - BZ) -a + (cl c -d +.,. 2) where the first term (Bl - BZ) -d6 is dominant and it follows that P1 - P2 is almost proportional to d6, which is the size dependence sought, and is very difficult to verify quantitatively, but is supported by experimental evaluations.

Den bildade skillnadssignalen från de två detektorringarna med värdet P1 - P2 är beroende av både partiklarnas totalantal och storleksfördelning på ett sätt som gör skillnadssignalens mätvärde till ett gott mått på F partiklarnas sammanlagda erosivitet i exempelvis en gasturbin. För vissa ändamål kan det finnas behov av ett mått pà enbart partiklarnas storleks- fördelning oberoende av totalantalet partiklar inom mätvolymen. Som framgår av effektformelns utseende ovan kommer beroendet av partikeltät- heten N inom mätvolymens längd L att försvinna vid en division av skill- nadssignalen P1 - P2 med en av absolutsignalerna t ex P1. Resultatet " kommer då att bli ett ungefärligt mått på medelvolymen hos partiklarna. _\.1 Uppfinningen baseras delvis på känd teknik. En laser är anbringad vid sidan av en rökgaskanal. Strålen från lasern passerar en fönsterförsedd öppning in i rökgaskanalen, förlöper vinkelrätt mot rökgasströmmen och 7 465 538 fortsätter vid rökgaskanalens andra sidoyta ut genom en likaledes fönster- försedd öppning i kanalen. Ljuset träffar därefter en lins försedd med en liten snedställd spegel framtill i centrum. Spegeln vinklar ut den kon- centrerade, obrutna laserstrålen àt sidan, medan linsen fokuserar av stoftpartiklarna avböjt ljus till en platta försedd med fotokänsliga dioder, med uppgift att detektera infallande ljuseffekter hos det på dioderna fallande ljuset. Om stoftpartiklar hamnar i strålens väg kommer ljus att avlänkas från laserns optiska axel. Ljusdiffraktion uppträder med de ovan beskrivna ljusringarna fallande på detektorplattan. Mätning sker i ett mycket begränsat urval av dessa ljusringar samtidigt genom att de fotokänsliga dioderna placerats ringformigt på plattan i endast några av de lägen där de ljusringar eller delar av de ljusringar, vars ljuseffekt önskas registrerad faller på respektive detektorring. Ljuseffekten i de valda ljusringarna registreras och omvandlas till elektriska signaler, vilka förs vidare till en elektronisk utrustning för signalbehandling, exempelvis en dator. Denna utrustning levererar en skillnadssignal, som härrör från skillnader i ljuseffekt hos det ljus som faller på respektive detektorring. Skillnadssignalen styr sedan instrument, som ger konkret besked om rökgaspartiklarnas sammanlagda erosivitet.The difference signal formed from the two detector rings with the value P1 - P2 is dependent on both the total number of particles and the size distribution in a way that makes the measured value of the difference signal a good measure of the total erosivity of the F particles in, for example, a gas turbine. For certain purposes, there may be a need for a measure of only the particle size distribution, independent of the total number of particles within the measurement volume. As can be seen from the appearance of the power formula above, the dependence on the particle density N within the length L of the measuring volume will disappear with a division of the difference signal P1 - P2 with one of the absolute signals, eg P1. The result "will then be an approximate measure of the average volume of the particles. The invention is based in part on known technology. A laser is mounted next to a flue gas duct. The beam from the laser passes a windowed opening into the flue gas duct, extending perpendicular to the flue gas stream. and 7 465 538 continues at the second side surface of the flue gas duct out through a similarly windowed opening in the duct.The light then strikes a lens fitted with a small oblique mirror at the front in the center.The mirror angles out the concentrated, unbroken laser beam to the side, while the lens focuses from the dust particles deflected light to a plate provided with photosensitive diodes, with the task of detecting incident light effects of the light falling on the diodes. Measurement takes place in a very limited selection of these light rings at the same time by placing the photosensitive diodes annularly on the plate in only some of the positions where the light rings or parts of the light rings whose light output is desired to be recorded fall on the respective detector ring. The light effect in the selected light rings is registered and converted into electrical signals, which are passed on to an electronic equipment for signal processing, for example a computer. This equipment delivers a difference signal, which results from differences in light output of the light falling on each detector ring. The difference signal then controls instruments, which give concrete information about the total erosivity of the flue gas particles.

TEKNISKA FÖRDELAR Det nya i denna uppfinning är att mätning sker i enbart ett fåtal detek- torringar, vilket kan åstadkommas med utnyttjande av skillnadssignal en- ligt ovan. Den använda metoden ger en snabb upplysning om förekomsten av sökt partikelstorlek. Den utnyttjar relativt enkla komponenter, blir där- för jämförelsevis billig och är enkel att handha jämfört med övriga på marknaden förekommande utrustningar. Genom begränsningen till ett fåtal detektorringar kan de användbara mätsträckorna för instrumentet göras flera gånger längre än vad som är tekniskt och ekonomiskt rimligt med tidigare metoder.TECHNICAL ADVANTAGES The novelty of this invention is that measurement takes place in only a few detector rings, which can be achieved by using a difference signal according to the above. The method used provides a quick information about the occurrence of the searched particle size. It uses relatively simple components, is therefore relatively inexpensive and is easy to handle compared to other equipment on the market. Due to the limitation to a few detector rings, the useful measuring distances for the instrument can be made several times longer than is technically and economically reasonable with previous methods.

RITNINGSFIGURER Figur 1 visar sambandet mellan registrerad ljuseffekt som funktion av partikeldiameter dels för en detektorring dels för skillnadseffekten från parvisa detektorringar, allt visat i logaritmisk skala. "4e5 338 Figur 2 åskådliggör kurvor som visar sambandet mellan mottagen ljuseffekt och funktion av partikelstorlek för två detektorringar med olika diameter men med samma area.DRAWING FIGURES Figure 1 shows the relationship between registered light effect as a function of particle diameter partly for a detector ring and partly for the difference effect from paired detector rings, all shown on a logarithmic scale. "4e5 338 Figure 2 illustrates curves showing the relationship between received light output and particle size function for two detector rings with different diameters but with the same area.

Figur 3 visar en schematisk uppställning av samtliga i mätanordningen in- f! gående komponenter. Dessutom framställs även ljusets väg genom enheterna.Figure 3 shows a schematic arrangement of all in the measuring device in- f! walking components. In addition, the path of light through the units is also produced.

Figur 4 visar en uppställning av mätanordningen, där uteffekten från lasern mäts på ett alternativt sätt.Figure 4 shows an arrangement of the measuring device, where the output power from the laser is measured in an alternative manner.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Genom att göra datorberäkningar på ett urval smala detektorringar med hjälp av effektekvationen ovan för ett stort antal partikelstorlekar har kurvor som visar mottagen ljuseffekt som funktion av partikeldiameter kun- nat erhållas. I figur 1 visas de resulterande kurvorna. Ur dessa kurvor kan härledas att avläst ljuseffekt för en ensam detektorring domineras av ett beroende av partikeldiameterns fjärde dignitet. Skillnaden i ljus- effekt mellan två dektorringar varierar dock med en dominerande term som beror av partikeldiameterns sjätte dignitet.DESCRIPTION OF EMBODIMENTS By making computer calculations on a selection of narrow detector rings using the power equation above for a large number of particle sizes, curves showing received light effect as a function of particle diameter could be obtained. Figure 1 shows the resulting curves. From these curves it can be deduced that the reading light effect for a single detector ring is dominated by a dependence on the fourth dignity of the particle diameter. However, the difference in light output between two dector rings varies with a dominant term that depends on the sixth dignity of the particle diameter.

Den huvudprincip som utnyttjas i denna uppfinning förklaras i figur 2. Där framgår tydligt hur ljuseffekten ökar med partikelstorleken för varje enskild detektorring. Ett än större storleksberoende har som synes den skillnad som uppstår mellan avlästa ljuseffekter för de två detektor- ringarna med ökande storlek hos de ljusspridande partiklarna. Genom konstruktion av ett instrument som avläser denna skillnad i ljuseffekter kan en kontinuerlig övervakning av partikelstorlekar i det strömmande mediet uppnås.The main principle used in this invention is explained in Figure 2. It clearly shows how the light effect increases with the particle size for each individual detector ring. An even greater size dependence apparently has the difference that arises between read light effects for the two detector rings with increasing size of the light scattering particles. By designing an instrument that reads this difference in light effects, a continuous monitoring of particle sizes in the flowing medium can be achieved.

En föredragen utföringsform av en anordning för detektering av icke önskade partiklar i rökgaser skall beskrivas med hänvisning till figur 3.A preferred embodiment of a device for detecting unwanted particles in flue gases will be described with reference to Figure 3.

Ljuset från en laser 1 träffar först ett spatialfilter med stràlexpander 2, som vidgar strålen och fokuserar denna på ett önskat avstånd bortom rökgaskanalens bortre kant, där strålen passerar ut från kanalen genom ett fönster 3. Ett strålstopp 4 är anbragt vid centrum av fönster 3, alterna- tivt vid centrum av linsen 6, för att föra bort det centrala ljusknippet.The light from a laser 1 first hits a spatial filter with beam expander 2, which widens the beam and focuses it at a desired distance beyond the far edge of the flue gas duct, where the beam passes out of the duct through a window 3. A beam stop 4 is located at the center of window 3. alternatively at the center of the lens 6, to remove the central light beam.

Strålstoppet är utformat som en spegel. vilken vinklar ut strålen för vidare analys. En ljusspridande stoftpartikel 5 divergerar de strålar som 9 465 338 faller på denna. Det spridda ljuset uppsamlas i en akromatisk dubbellins 6, passerar ett interferensfilter 7 och belyser därefter detektorringarna.The beam stop is designed as a mirror. which angles out the beam for further analysis. A light scattering dust particle 5 diverges the rays which fall on it. The scattered light is collected in an achromatic double lens 6, passes an interference filter 7 and then illuminates the detector rings.

De alstrade signalerna förs vidare till elektronik 9 för bildande av en skillnadssignal, vilken ger uppgift om partikelstorlek.The generated signals are passed on to electronics 9 to form a difference signal, which gives information on particle size.

Det något snedställda fönstret 10 på lasersidan, antireflexbehandlat en- bart på rökgassidan, reflekterar ljus till ett gråfilter 11, som avlägsnar 99 X av det infallande ljuset. Efter passage av ett interferensfilter 12 får detta ljus falla på en detektor 13, som då ger information om trans- mitterad ljuseffekt.The slightly sloping window 10 on the laser side, anti-reflective treated only on the flue gas side, reflects light to a gray filter 11, which removes 99 X of the incident light. After passing an interference filter 12, this light may fall on a detector 13, which then provides information on transmitted light effect.

Smutskorn på glaset 10 kan även ge bakåtspridning. Sådant ljus uppsamlas av ett interferensfilter 14 med lins 15 och mäts med detektor 16. Här kan då eventuell nedsmutning av glaset 10 registreras. _Transmitterad ljuseffekt från lasern kan även uppmätas genom en alternativ uppställning av utrustningen enligt figur Ä. En stråldelare 21 i form av ett tunt glasfönster placeras i laserstrålens väg i 450 vinkel mot denna.Dirt grains on the glass 10 can also give backscatter. Such light is collected by an interference filter 14 with lens 15 and measured with detector 16. Here, any contamination of the glass 10 can then be registered. Transmitted light output from the laser can also be measured by an alternative arrangement of the equipment according to Figure Ä. A beam splitter 21 in the form of a thin glass window is placed in the path of the laser beam at a 450 angle thereto.

Reflexen från fönstret vars ena sida är antireflexbehandlat får falla på en fotodetektor 22, vilken då ger information om laserns optiska uteffekt.The reflection from the window, one side of which is anti - reflective, may fall on a photodetector 22, which then provides information about the optical output of the laser.

I detta fall placeras stråldelaren före spatialfiltret 2 varvid eventuella störningar på laserljuset från det snedställda glaset i stråldelaren kan filtreras bort innan det tillåts penetrera mätvolymen. Med detta förfar- ande vinns två fördelar, dels blir det inte nödvändigt att snedställa fönstret 10 närmast mätvolymen för att erhålla lämpligt sidoreflekterat ljus, dels kan fönstret 10 avlägsnas med bibehållen kontroll över den optiska uteffekten. För övrigt kan ett snedställt fönster 10 inverka negativt på laserljuset genom mätvolymen.In this case, the beam splitter is placed in front of the spatial filter 2, whereby any disturbances on the laser light from the inclined glass in the beam splitter can be filtered out before it is allowed to penetrate the measuring volume. With this method two advantages are gained, on the one hand it does not become necessary to tilt the window 10 closest to the measuring volume in order to obtain suitable side-reflected light, and on the other hand the window 10 can be removed while maintaining control over the optical output power. Incidentally, a sloping window 10 may adversely affect the laser light through the measuring volume.

Den koncentrerade ljusstråle som vinklats ut av strålstoppet 4 får först träffa ett snedställt gråfilter 17, som reflekterar en liten och varierbar del ljus till en fiberoptisk kabel 18. Ljuset från fiberoptiken 18 åter- förs till en av detektorringarna 8, för att ge båda dessa ringar lika mängd bakgrundsljus. Det ljus som genomtränger gråfilter 17 belyser efter passage av ett interferensfilter 19 en kvadrantdektor 20. För att dämpa ljuseffekten och anpassa denna till fotodioderna i detektor 20 har grå- filtret bortfiltrerat 99,9 % av urprungsljuset. Detektorn 20 ger besked om transmitterad effekt i kombination med detektor 13, alternativt detektor 22. Bristfällig centrering och linjering kan utläsas med detektor 20. '4es sas N Kalibrering av mätutrustningen utföres med hjälp av kalibreringsglas som placeras på ett bestämt avstånd framför linsen, exempelvis vid siffran 5, i figur 3. Varje kalibreringsglas har belagts med partiklar av en bestämd storlek. Detta har àstadkommits genom att identiska partiklar med känd storlek, uppslammade i en vätska, droppas ut på glasskivor. Fyra eller fem olika storlekar av partiklar som väl täcker mätområdet är lämpligt att ut- nyttja. Kalibreringsglasen placeras i hållare. Då specifika kalibrerings- 1A". glas med kända partikelstorlekar placeras i laserstrålen trimmas mätut- rustningen in för bästa överensstämmelse mellan uppmätta värden och de kända partikelstorlekarna på varje kalibreringsglas.The concentrated light beam angled out of the beam stop 4 must first hit an oblique gray filter 17, which reflects a small and variable part of light to a fiber optic cable 18. The light from the fiber optics 18 is returned to one of the detector rings 8, to give both of these rings equal amount of backlight. The light which penetrates gray filter 17 illuminates after passing an interference filter 19 a quadrant detector 20. In order to attenuate the light effect and adapt it to the photodiodes in detector 20, the gray filter has filtered out 99.9% of the original light. The detector 20 provides information on transmitted power in combination with detector 13, alternatively detector 22. Inadequate centering and alignment can be read out with detector 20. '4es sas N Calibration of the measuring equipment is performed by means of calibration glasses placed at a certain distance in front of the lens, for example number 5, in figure 3. Each calibration glass has been coated with particles of a certain size. This has been achieved by dropping identical particles of known size, suspended in a liquid, onto glass sheets. Four or five different sizes of particles that well cover the measuring range are suitable to use. The calibration glasses are placed in holders. When specific calibration 1A ". Glasses with known particle sizes are placed in the laser beam, the measuring equipment is tuned in for the best correspondence between measured values and the known particle sizes on each calibration glass.

I stället för med de nämnda komponenterna kan instrumentet naturligtvis realiseras på en mängd alternativa sätt. Gråfilter kan ersättas med en beam-splitter, en halvgenomskinlig spegel m m. Som alternativ till fiber- optisk kabel kan speglar användas, andra ljuskällor än laser kan utnytt- jas, lika väl som det är möjligt att ersätta fotodioder med andra ljus- känsliga element, som till exempel fotomultiplikatorer.Instead of using the mentioned components, the instrument can of course be realized in a number of alternative ways. Gray filters can be replaced with a beam splitter, a semi-transparent mirror, etc. As an alternative to fiber-optic cable, mirrors can be used, light sources other than lasers can be used, as well as it is possible to replace photodiodes with other light-sensitive elements. , such as photo multipliers.

För att öka tillförlitligheten hos instrumentet kan naturligtvis fler än ett par dektorringar byggas in. Skillnadssignalen från exempelvis olika par av detektorringar kan styra elektronikenheter var för sig, varvid dessas utsignaler kan jämföras eller sammanvägas.To increase the reliability of the instrument, of course, more than a pair of dector rings can be built in. The difference signal from, for example, different pairs of detector rings can control electronic units separately, whereby their output signals can be compared or weighed together.

Anordningen kan med vederbörliga justeringar komma till användning även i andra applikationer än den redovisade, exempelvis vid detektering av upp- slammade partiklar 1 vätskor eller i andra sammanhang där motsvarande när- varo av stoftpartiklar önskas övervakad.With appropriate adjustments, the device can also be used in other applications than the one reported, for example when detecting suspended particles in liquids or in other contexts where the corresponding presence of dust particles is desired to be monitored.

Genom anpassning av detektorringarnas diametrar och utförandet på den signalbehandlande elektroniken kan detektering av önskade partikelstor- lekar ske.By adjusting the diameters of the detector rings and the design of the signal processing electronics, the desired particle sizes can be detected.

(I(IN

Claims (6)

in 465 338 PATENTKRAVin 465 338 PATENTKRAV 1. Sätt för detektering av partiklar (5) i strömmande medier genom användning av en laser (1), vars ljus är anordnat att genomfara en kanal genomfluten av ett medium och att detektorringar (8) är inrättade att registrera ljuseffekt i ljusringar som uppkommer när laserljus träffar nämnda detektorringar (8) på grund av ljusdiffraktion som uppträder när ljus från lasern avböjs av i mediet närvarande partiklar (5) k ä n n e - t e c k n a t av att skillnaden mellan uppmätta ljuseffektvärden hos två detektorringar (8) är anordnad att bestämmas och att därvid erhållen skillnadssignal är avsedd att utgöra ett mått på partikelstorleksfördel- ning i det nämnda mediet.A method for detecting particles (5) in flowing media by using a laser (1), the light of which is arranged to pass through a channel traversed by a medium and the detector rings (8) are arranged to detect light effect in light rings which occur when laser light hits said detector rings (8) due to light diffraction which occurs when light from the laser is deflected by particles (5) present in the medium - characterized in that the difference between measured light power values of two detector rings (8) is arranged to be determined and The difference signal obtained is intended to constitute a measure of particle size distribution in the said medium. 2. Anordning för genomförande av sättet att detektera partiklar i strömmande medier enligt patentkrav 1 innefattande en laser (1) med spatialfilter och strålexpander (2) ett strålstopp (4) monterat i centrum av ett optiskt fönster (3) eller en lins (6) följt av ett interferensfilter (7) och detektorplatta (8) ett fönster (10) med interferensfilter (11), lins (12) och detektor (13) ett interferensfilter (14), lins (15) och detektor (16) ett snedställt gråfilter (17) med glasfiberoptisk ledning (18), inter- ferensfilter (19) och detektor (20) k ä n n e t e c k n a d av att detektorplattan (8) innefattar ett antal ljuskänsliga element på en platta ordnade i ett tillräckligt minsta antal av 2 koncentriska ringar, eller i symmetriskt belägna delar av koncent- riska ringar, sålunda utgörande åtskilda mätelement för ljuseffekt hos ljusringar fallande på plattan (8) på de ringar eller delar av ringar där ljuskänsliga element monterats och att dessa ljusregistrerande ringar eller delar av ringar levererar mätvärden till elektroniska enheter (9), där minst en skillnadssignal som kan relateras till sökt mått på partikel- storleksfördelningen skapas, och att skillnadssignalen utgörs av en be- loppsskillnad mellan ljuseffektmätvärden från ett par ljusregistrerande ringar. 465 sas RDevice for performing the method of detecting particles in flowing media according to claim 1, comprising a laser (1) with spatial filter and beam expander (2), a beam stop (4) mounted in the center of an optical window (3) or a lens (6). followed by an interference filter (7) and detector plate (8) a window (10) with interference filter (11), lens (12) and detector (13) an interference filter (14), lens (15) and detector (16) an inclined gray filter (17) with glass fiber optic cable (18), interference filter (19) and detector (20), characterized in that the detector plate (8) comprises a number of light-sensitive elements on a plate arranged in a sufficiently minimum number of 2 concentric rings, or in symmetrically located parts of concentric rings, thus constituting separate measuring elements for light effect of light rings falling on the plate (8) on the rings or parts of rings where light-sensitive elements are mounted and that these light-sensing rings or parts of ring r delivers measured values to electronic units (9), where at least one difference signal that can be related to the desired measure of the particle size distribution is created, and that the difference signal consists of an amount difference between light effect measured values from a pair of light-detecting rings. 465 sas R 3. Anordning enligt patentkrav 2 k ä n n e t e c k n a d av att fram- för fotodetektorn anbringats ett strålstopp (4) i form av en snedställd spegel framför centrum av en akromatisk dubbellins (6), att vid sidan av strålstoppet (4) i ljusets väg är anbringat ett snedställt gråfilter (17) som reflekterar en viss del ljus till en fiberoptisk kabel (18), och att den fiberoptiska kabeln (18) överför en liten del ljus från ursprungliga ljusstrålen till detektorplattan (8).Device according to Claim 2, characterized in that a beam stop (4) is arranged in front of the photodetector in the form of an inclined mirror in front of the center of an achromatic double lens (6), that next to the beam stop (4) it is arranged in the path of light. an oblique gray filter (17) reflecting a certain amount of light to a fiber optic cable (18), and that the fiber optic cable (18) transmits a small amount of light from the original light beam to the detector plate (8). 4. U. Anordning enligt patentkrav 2 k ä n n e t e c k n a d av att ljus- effektskillnaden mellan mätvärdena från parvisa ljusdetekterande ringar eller delar av ringar på detektorplattan (8) divideras med mätvärdet från en av dessa i paret ingående ljusregistrerande ringar i en elektronisk enhet (9) vars kvotsignal omvandlas till ett ungefärligt mått på den geometriska medelvolymen hos partiklarna i mätvolymen hos det strömmande mediet.Device according to claim 2, characterized in that the light power difference between the measured values from pairwise light detecting rings or parts of rings on the detector plate (8) is divided by the measured value from one of these light sensing rings included in the pair in an electronic unit (9). whose ratio signal is converted to an approximate measure of the mean geometric volume of the particles in the measurement volume of the flowing medium. 5. Anordning enligt patentkrav 2 k ä n n e t e c k n a d av att laserns optiska uteffekt mäts och styrs med hjälp av en stràldelare, placerad mellan laser (1) och spatialfilter (2), i form av en snedställd transparent skiva (21) som reflekterar ljus till en ljuseffektregistrer- ande enhet (22) vid sidan av strålen.Device according to claim 2, characterized in that the optical output of the laser is measured and controlled by means of a beam splitter, placed between the laser (1) and the spatial filter (2), in the form of an inclined transparent disc (21) which reflects light to a light effect recording device (22) next to the beam. 6. Anordning enligt patentkrav 2 k ä n n e t e c k n a d av att anord- ningen kalibreras med hjälp av att glasskivor belagda med partiklar med känd storlek placeras i laserstrålens väg och därvid initierar förväntade signaler till elektroniska enheterna (9). IJ)Device according to claim 2, characterized in that the device is calibrated by placing glass sheets coated with particles of known size in the path of the laser beam and thereby initiating expected signals to the electronic units (9). IJ)