SE508805C2 - Optisk analysutrustning för gasformiga ämnen som strömmar i en kanal - Google Patents

Description

508 805 2 antingen genom kalibreringsröret eller genom röret.

I den europeiska patentansökan EP O 159 157 visas en liknande anordning som den i det amerikanska patentet US 4 381 153.

Den japanska skriften JP 57-207848 beskriver en kalibreringsmetod för en genomströmningsgasanalysator.

Gasanalysatorn har två gasceller med varsin ljuskälla. Den gas som ska mätas pumpas alternerande genom de båda cel- lerna samtidigt med en referensgas genom den andra cellen.

Analysatorn kalibreras genom att en kalibreringsgas pumpas in i en av cellerna och en signal tas upp då ljusstyrkan från ljuskällan varieras. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att lösa ovannämnda problem så att det blir möjligt att kalibrera en optisk analysutrustning så ofta som önskas, t ex dagligen. Ändamålet med uppfinningen uppnås med optiska analysutrustningar enligt patentkrav 1 och patentkrav 5.

Dessa analysutrustningar kan kalibreras så ofta som det behövs med mycket liten arbetsinsats och tidsåtgång.

Det enda som behöver göras är att ställa om ljusstyr- organet så att ljusmottagaren mottar ljus från kalibre- ringsenheten i stället för som normalt ljus som trans- mitterats genom det medium som skall analyseras. Med hjälp av en dator kan kalibreringen t o m göras helt automatisk.

En annan fördel med utrustningarna är att kalibreringen sker med samma komponenter som används för mätningen, vilket bidrar till att kalibreringen blir noggrann.

Anordnandet av en kalibreringsenhet mellan ljussända- ren och ljusmottagaren löser dessutom ett ytterligare pro- blem. Det blir nämligen möjligt att mäta koncentrationen av syrgas med hjälp av den optiska analysutrustningen.

Detta har inte varit möjligt tidigare eftersom det före- kommer syre i själva mätanordningen och mätsträckan där- efter blir okänd. Eftersom kalibreringsdelen i utrust- ningarna enligt föreliggande uppfinning innehåller samma mängd syre som mätdelen kan man genom differensmätning 508 805 3 fastställa koncentrationen syrgas.

Med uppfinningen blir det dessutom möjligt att mäta dämpningen av synligt ljus i gasvolymen. Detta görs genom en differensmätning, vid vilken dämpningen i kalibrerings- delen jämförs med dämpningen i mätdelen. På samma sätt kan man också mäta partikelantal och partikelfördelning.

Kalibreringsenheten är anordnad att monteras på så sätt att den sträcker sig genom det medium som skall analyseras. Detta har fördelen att kalibreringen sker vid samma temperatur som mätningen utförs, vilket också bidrar till en noggrann kalibrering.

Kalibreringsenheten har ett inlopp för kalibrerings- medium, sà att kalibrering kan utföras för olika ämnen.

Ljusstyrorganet kan innefatta skärmningsorgan, t ex en skärm som kan inta olika lägen eller slutare, eller innefatta organ för styrning av inriktning av ljusmottaga- ren eller ljussändaren så att mottagaren valbart kan ta emot antingen ljus frán kalibreringsenheten eller ljus som transmitterats genom det medium som skall analyseras.

Analysutrustningen enligt uppfinningen innefattar vidare en mätenhet, vilken är anordnad att åstadkomma en bana för ljus fràn ljussändaren till ljusmottagaren. Mät- enheten är öppen i ett parti, så att det medium som skall analyseras fritt kan passera därigenom. Fördelen med denna mätenhet är att det öppna partiet bildar en exakt bestämd mätsträcka och att man, oberoende av exempelvis en skor- stens diameter, alltid kan ha samma mätsträcka. Mätenheten kan man naturligtvis använda oberoende av om man har kalibreringsenheten eller ej.

För att förhindra att gas vid mätning i gasformiga medier letar sig in i de slutna delarna av mätenheten och gör mätsträckan obestämd kan det i mätenheten finnas ett inlopp för spolgas som kan matas i riktning mot det öppna partiet.

Kalibreringsenheten och mätenheten kan vara rörfor- miga och monteras med fördel parallellt med varandra och förbundna med varandra för att minimera vibrationer och 508 805 4 krökningar av enheterna som kan påverka ljustransmis- sionen.

I en optisk analysutrustning enligt uppfinningen är ljussändaren och ljusmottagaren monterade mitt emot varandra.

I en annan optisk analysutrustning enligt uppfin- ningen är ljussändaren och ljusmottagaren placerade på samma sida. Denna analysutrustning är avsedd för mycket stora skorstenar eller liknande, där det kan vara besvär- ligt att anordna rör som sträcker sig över en lång sträcka genom hela skorstenen.

Föreliggande uppfinning skall nu beskrivas under hän- visning till bifogade ritningar, varvid Fig 1 visar en första utföringsform av en anordning monterad i en skorsten och kopplad till en optisk analys- utrustning och Fig 2 visar en sidovy av en andra utföringsform av en anordning monterad i en skorsten.

Fig 3 visar en planvy uppifrån av den i fig 2 visade utföringsformen av anordningen.

I fig l visas en anordning monterad i en skorsten med väggar la och lb och kopplad till en optisk analysutrust- ning, som har en sändarenhet 2, som är monterad utanför skorstenens ena vägg la och en mottagarenhet 3 som är monterad mitt för sändarenheten 2 utanför skorstenens andra vägg lb. Sändarenheten 2 innefattar en lampa 25 och två paraboliska speglar 4, 5 som är anordnade att ref- lektera ljuset från lampan i två parallella ljusknippen.

Sändarenheten 2 är förbunden med mottagarenheten 3 via en kalibreringsenhet och en mätenhet som innefattar två parallella rör 6, 7, som sträcker sig genom öppningar 8 och 9 i skorstenens väggar la resp lb och som med fördel är ihopmonterade. Det ena röret 6, som är ett kalibre- ringsrör, är helt slutet. Gaserna i skorstenen kan således inte tränga in i kalibreringsröret och ljuset som passerar genom kalibreringsröret är därför helt opåverkat av gaser- na. I den del av kalibreringsröret 6 som befinner sig mel- 508 805 5 lan skorstensväggen lb och mottagarenheten 3 finns en kalibreringscell 10, som har åtminstone ett inlopp ll, till vilket olika behållare 30 med gasformiga ämnen med känd koncentration kan anslutas via ett ventilarrangemang 31. Alternativt kan kalibreringscellen 10 vara anordnad i den del av kalibreringsröret 6 som befinner sig inuti skorstenen. Denna placering av kalibreringscellen 10 har fördelen att kalibreringen sker vid samma temperatur som gaserna i skorstenen har. Om temperaturen i skorstenen är mycket hög kan emellertid inte denna placering användas, eftersom det då finns risk för att man får avsättning på väggarna i kalibreringscellen.

Det andra röret 7, som är ett mätrör, har ett öppet parti 12, genom vilket gaserna i skorstenen kan strömma fritt. Detta öppna parti 12 åstadkommes enklast genom att man i ett slutet rör fräser ut öppningar på så sätt att endast ett fåtal stänger 13, som förbinder de slutna delarna av mätröret 7, blir kvar. Det öppna partiet 12 bildar en väldefinierad mätsträcka, som exempelvis kan ha en längd i intervallet 0,5 m - 2 m, för anordningen. I vardera änden av mätröret 7 finns vidare inlopp 14 för spolluft, som är anslutna till organ 40 för tillförsel av spolluft.

Rören 6, 7 består av rostfritt stål. Deras totala längd kan exempelvis varieras upp till 7 m. Innerdiametern är exempelvis 85 mm. Rören fästs med fördel vid skorstens- väggen endast i den ena änden. Den andra änden fästs i ett glidarrangemang (visas ej) som medger linjär expansion hos rören vid temperaturvariationer.

Mottagarenheten 3 innefattar en ljusmottagare 15, som utgörs av en optisk fiber 16, som är ansluten till en ana- lysenhet 17. Mottagarenheten 3 innefattar vidare tvà para- boliska speglar 18 och 19, som är anordnade att reflektera ljus från kalibreringsröret 6 resp mätröret 7 till ljus- mottagaren 15. Dessa speglar har liksom övriga speglar ett skikt av aluminium, täckt av ett tunt MgF2-skikt. 508 805 6 I mottagarenheten 3 finns dessutom ett skärmnings- organ 20, som styrs av en motor 21 till att inta endera av två lägen. I det ena läget (det som visas i figuren) hind- rar skärmningsorganet 20 ljus från kalibreringsröret 6 från att nå ljusmottagaren 15 och i det andra läget hind- rar det ljus från mätröret 7 från att nå ljusmottagaren 15.

Utrustningen innefattar dessutom en ej visad dator, som är anordnad att styra bl a motorn 21 och ventil- arrangemanget 31 för utförande av automatisk kalibrering.

I det följande skall funktionen hos anordningen be- skrivas.

Vid mätning ställs skärmningsorganet 20 i det i figu- ren visade läget av motorn 21. Ljus emitteras från lampan 25 mot de paraboliska speglarna 4, 5, vilka reflekterar var sitt parallellt ljusknippe mot kalibreringsröret 6 resp mätröret 7. Det genom mätröret 7 transmitterade lju- set reflekteras av den paraboliska spegeln 19 till änden på den optiska fibern 16, som leder ljuset till analys- utrustningen 17 för bestämning av parametrar för ett eller flera gasformiga ämnen som befinner sig i det öppna par- tiet 12 av mätröret 7. Ljus som transmitteras genom kalib- reringsröret 6 hindras av skärmningsorganet 20 från att nå ljusmottagaren 15.

När kalibrering skall utföras för ett visst ämne ges en signal till motorn 21, som vrider skärmningsorganet 20 till det andra läget, i vilket ljus från mätröret 7 hind- ras frán att nå ljusmottagaren 15. Därefter utförs noll- kalibrering genom att nolluft eller ren kvävgas matas in i kalibreringscellen 10 och det från lampan 25 genom kalib- reringsröret 6 och kalibreringscellen 10 transmitterade ljuset analyseras av analysenheten och jämförs med det korrekta nollvärdet för ämnet ifråga.

Därefter görs kalibrering för en eller flera koncen- trationer av det aktuella ämnet. Härvid ansluts en gas- cylinder, som innehåller en känd koncentration av ämnet till gasinloppet ll, varefter koncentration av det gas- 508 805 7 formiga ämnet i kalibreringscellen 10 bestäms och jämförs med det kända värdet. Om avvikelser föreligger korrigeras förstärkningen i analysutrustningen.

Kalibrering kan ske pà motsvarande sätt genom anslut- ning av gascylindrar med känt innehåll till gasinloppet 11 för alla gasformiga ämnen som mäts med anordningen. Kalib- reringen sker helt automatiskt under övervakning av datorn.

I fig 2 och 3 visas en andra utföringsform av en anordning monterad i en skorsten som har en vägg la. Denna utföringsform är i första hand avsedd för mycket stora skorstenar där det är besvärligt eller t o m omöjligt att montera rör som sträcker sig genom hela skorstenen. Såsom visas i fig 2 och 3 är sändarenheten 2 och mottagarenheten 3 placerade på samma sida om skorstenen. Sändarenheten 2 innefattar en lampa 25 och två paraboliska speglar 4 (endast en visas i fig 2), som är anordnade att reflvktvza ljuset från lampan som två parallella ljusknippen. Mezza- garenheten 3 är placerad bredvid sändarenheten 2 och inno- hàller liksom tidigare en ljusmottagare 15, som utgörs av en optisk fiber 16 som är ansluten till en ej visad ana- lysenhet. Sändarenheten mottar två parallella ljusknippen som reflekteras till mottagaren 15 med hjälp av två para- boliska speglar 18, 19, som är monterade under varandra.

Anordningen innefattar en kalibreringsenhet 6, som åstadkommer en bana för ljuset från sändarenheten 2 till mottagarenheten 3. Kalibreringsenheten 6 innefattar när- mare bestämt två parallella rörstycken 6a och 6b samt två prismor 61 och 62, som är placerade i den bortre änden av rörstyckena 6a och 6b i förhållande till sändarenheten 2 och mottagarenheten 3. Prismorna 61 och 62 åstadkommer en totalreflektion av ljuset. Ljuset transmitteras sålunda genom rörstycket 6a, reflekteras av prismat 61 till prismat 62 och transmitteras genom rörstycket 6b till mottagaren 15. Kalibreringsenheten 6 har ett inlopp 11 för kalibreringsgas. Företrädesvis används bara det ena rör- stycket 6b som kalibreringscell 10, varvid kalibrerings- 508 805 sträckan blir ll.

Under kalibreringsenheten finns en mätenhet 7 som också består av två rörstycken 7a och 7b och som också innefattar två prismor 7l och 72, som är placerade i den bortre änden i förhållande till sändarenheten 2 och mot- tagarenheten 3. Mätenheten 7 har ett öppet parti 12, genom vilket gaserna i skorstenen kan strömma fritt och vilket bildar mätsträckan för mätningen. I den visade utförings- formen består mätsträckan av två delsträckor 12 + 1 en mellan den slutna delen av rörstycket 7a och prismaâ 71 och en mellan prisman 72 och den slutna delen av rör- stycket 7b. Lämpligen anordnas längderna på rörstyckena och det öppna partiet så att mätsträckan 12 + 13 och kalibreringssträckan ll blir lika långa.

Anordningen innefattar också ett skärmningsorgan 20, som styrs av en motor 21 till att inta endera av två lägen.

Funktionen hos denna utföringsform av anordningen är densamma som den hos ovan beskrivna utföringsform.

Anordningen har ovan beskrivits monterad i en skor- sten. Naturligtvis kan den även användas i rör, ledningar och liknande. Anordningen kan användas för alla typer av optisk utrustning som har en ljussändare och en ljusmot- tagare och som behöver kalibreras.

Många modifieringar av den beskrivna anordningen är möjlig. I stället för att använda en kalibreringscell 10 i en del av kalibreringsröret 6 såsom visas i fig 1 kan hela röret användas som kalibreringscell. I stället för att kalibreringsenheten och mätenheten är placerade bredvid varandra, såsom visas i fig 2 och 3, kan de vara placerade under varandra. Rörstyckena 6a, 6b och 7a, 7b behöver hel- ler inte vara placerade intill varandra, utan kan vara placerade på avstånd från varandra. Rörstyckena 6a, 6b och 7a, 7b kan då vara lika långa och mätsträckan anordnas mellan rörstyckena 7a och 7b. Skärmningsorganet kan vara placerat antingen i sändaren eller i mottagaren. I stället för en vridbar skärm kan det utgöras av två slutare, som 508 805 9 alternativt skärmar ljuset från kalibreringsenheten eller mätenheten. Skärmningsorganet kan ersättas av en motor som vrider ljussändaren eller ljusmottagaren så att ljus sänds till eller mottas fràn endera av mätenheten och kalibre- ringsenheten. Mätröret 7 och kalibreringsröret 6 kan ha godtyckliga tvärsnitt. Deras längder och diametrar kan variera, liksom det material de är tillverkade av. Rören kan vidare monteras centralt i röret, exempelvis längs en diameter om röret har cirkulärt tvärsnitt, eller icke- centralt, exempelvis längs en korda i fallet med röret med cirkulärt tvärsnitt.

Claims (10)

508 805 10 PATENTKRAV

1. Optisk analysutrustning för analys av gasformiga ämnen som strömmar genom kanal, innefattande en ljus- sändare (25), som är anordnad på en sida av kanalen, en ljusmottagare (15), som är anordnad mittför ljussändaren på andra sidan av kanalen, en kalibreringsenhet (6), som sträcker sig genom kanalen, en mätenhet (7), vilken sträcker sig genom kanalen och vilken är öppen i ett parti (12), vilket genomströmmas av de gasformiga ämnena vid användning av utrustningen, k ä n n e t e c k n a d av att ljussändaren (25) är fast anordnad, att kalibrerings- enheten (6) innefattar åtminstone en kalibreringscell (10), i vilken ett kalibreringsmedium är införbart, och att analysutrustningen vidare innefattar ett fast, optiskt arrangemang (4, 5, 18, 19), som är anordnat att från ljus- sändaren (25) samtidigt åstadkomma en första och en andra stràle, att rikta den första strålen genom kalibrerings- enheten (6) mot ljusmottagaren (15), och att rikta den andra stràlen genom mätenheten (7) mot ljusmottagaren (15), och ett ljusstyrorgan (20, 21), medelst vilket ljusmottagaren valbart kan bringas att motta den första eller den andra strålen.

2. Optisk analysutrustning enligt krav 1, k ä n - n e t e c k n a d av att ljusmottagaren (15) är fast och att ljusstyrorganet innefattar skärmningsorgan.

3. Optisk analysutrustning enligt krav 1, k ä n - n e t e c k n a d av att ljusstyrorganet (20, 21) innefattar organ för styrning av inriktningen av ljus- mottagaren.

4. Optisk analysutrustning enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att kalibreringsenheten (6) och mätenheten (7) är rörformiga, monterade parallellt med varandra och förbundna med varandra. 508 805 11

5. Optisk analysutrustning för analys av gasformiga ämnen som strömmar genom kanal, innefattande en ljussända- re (25), som är anordnad på en sida av kanalen, en ljus- mottagare (15), en kalibreringsenhet (6), en mätenhet (7), som är öppen i ett parti (12), vilket genomströmmas av de gasformiga ämnena vid användning av utrustningen, k ä n - n e t e c k n a d av att ljusmottagaren (25) är anordnad på samma sida av kanalen som ljusmottagaren (15), att mät- enheten (7) sträcker sig endast ett stycke in i kanalen, att kalibreringsenheten (6) innefattar åtminstone en kalibreringscell (10), i vilken ett kalibreringsmedium är införbart, och att analysutrustningen vidare innefattar ett optiskt arrangemang (4, 5, 18, 19), som är anordnat att från ljussändaren (25) samtidigt åstadkomma en första och en andra stråle, att rikta den första stràlen genom kalibreringsenheten (6) mot ljusmottagaren (15) och att rikta den andra stràlen genom mätenheten (7) mot ljus- mottagaren (15), och ett ljusstyrorgan (20, 21), medelst vilket ljusmottagaren valbart kan bringas att motta den första eller den andra stràlen.

6. Optisk analysutrustning eligt krav 5, k ä n n e - t e c k n a d av att mätenheten (7) innefattar två paral- lella rörelement (7a, 7b), som vart och ett sträcker sig in i kanalen så att dess ena ände är skild fràn kanalens väggar, och organ (71, 72) för ändring av den andra strà- lens riktning, vilka organ är anordnade i nämnda ena ände av de två parallella rörelementen.

7. Optisk analysutrustning enligt krav 5 eller 6, k ä n n e t e c k n a d av att ljuskällan (25) och det optiska arrangemanget (4, 5, 18, 19) är fasta.

8. Optisk analysutrustning enligt krav 7, k ä n - n e t e c k n a d av att ljusstyrorganet innefattar organ för styrning av ljusmottagarens (15) riktning.

9. Optisk analysutrustning enligt krav 7, k ä n - n e t e c k n a d av att ljusmottagaren (15) är fast anordnad och att ljusstyrorganet innefattar skärmnings- organ. 508 805 12

10. Optisk analysutrustning enligt något av krav 5-9, k ä n n e t e c k n a d av att kalibreringsenheten (6) är anordnad att sträcka sig genom det medium som skall analy- seras.