DE1927330A1

DE1927330A1 - Gemischdurchflussanalysator

Info

Publication number: DE1927330A1
Application number: DE19691927330
Authority: DE
Inventors: Norman Miller
Original assignee: Atomic Power Constructions Ltd
Current assignee: Atomic Power Constructions Ltd
Priority date: 1968-05-30
Filing date: 1969-05-29
Publication date: 1970-01-29
Also published as: FR2016757A1

Description

Beschreibun
zum Patentgesuch

der Firma Atomic Power Constructions Limited, 6/14 Sutton Court Road, Sutton, Surrey / England

betreffend;
"Gemischdurchflußanalysator"

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gemischdurchflußanalysator, insbesondere auf einen Analysator für die Verwendung bei Durchflußgemischen, welche teilweise in flüssiger Phase und teilweise in Gasphase vorliegen.

Es ist in viel-en Fällen erforderlich, eine Strömung zu analysieren, bei der eine Änderung des physikalischen Status von Flüssigphase in Dampf- oder Gasphase erfolgt. Ein typisches Beispiel .ist ein Eisdetektor für Flugzeuge, denn bekanntlich ist die Eisbildung an Flugzeugtragflügeln möglicherweise ein erhebliches Gefahrenmoment. Ein Detektor, welcher die Änderung des Status zwischen feuchter Luft und Eis.in einer Luftströmung über den Tragflügeln ermitteln kann, wäre von erheblichem Wert.

Ein zweites Beispiel bietet die Kernphysik. Dlehlorodifluromethan, das im Handel als Arcton 12 (Warenzeichen) erhältlich ist, wird verwendet als Modell für die-Eigenschaften von Flüssigkeiten, die bei hohem Druck kochen, bei der Untersuchung von

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Problemen, die bei zwei Phasenbedingungen in einem Kanal eines wassergekühlten Kernreaktors auftreten. Solche Untersuchungen erfordern einen Analysator, der in der Läge 1st, bis zu welchem Maße sich Blasen von gasförmigen Freon in flüssigem Freon ausbilden. Die Unterscheidung zwischen Freonflüssigkeit und Freongas kann im wesentlichen durch einen Detektor für den physikalischen Status erfolgen, doch besitzt ein solches Instrument nur eine begrenzte Brauchbarkeit, falls es nicht dynamische Gemischströmungen analysieren kann. Detektoren für den physikalischen Status können weitere Nachteile besitzen. Beispielsweise sind Sonden, welche leitfähig sind, für d. esen Anwendungsfall unbrauchbar, weil sowohl flüssiges wie auch gasförmiges Freon einen hohen elektrischen Widerstand besitzt. Sonden aus heißem Draht können sich als unbefriedigend erweisen, beispielsweise wegen ihrer geringen Ansprechgeschwindigkeit, ihrer Kosten und dergleichen.

Ein dritter Anwendungsfall besteht bei der Untersuchung von chemischen oder Fermentationsprozessen, die in einem Faß oder einem Kessel stattfinden. Ein Analysator kann die Bildung oder das Aufhören von Blasen in dem Kessel ermitteln und damit anzeigen, daß eine bestimmte Stufe in dem Prozeß erreicht worden ist.

Viele der bekannten Anordnungen, die für diese Anwendungsfälle entwickelt worden sind, sind schwierig herzustellen und erfordern unerwünscht lange Meßspitzen. Solche Anordnungen sind in ihrer Brauchbarkeit im allgemeinen auf den spezifischen Anwendungsfall beschränkt und können nicht für andere Anwendungsfälle eingesetzt werden, ohne daß sie neu geeicht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Analysator für strömende Gemische zu schaffen, der eine kleine Sondenspitze aufweist, eine hohe Ansprechgeschwindigkeit besitzt und ohne größere Schwierigkeiten herstellbar ist. Der Analysator soll vielseitig sein und für die verschiedensten Anwendungszwecke ohne Notwendigkeit einer spezifischen Eichung einsetzbar sein.

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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Lichtsystem für die Projektion eines Lichtstrahles auf ein Fenster, das so ausgebildet und angeordnet ist, daß Änderungen der optischen Eigenschaften der Strömung hinter dem Fenster zur Steuerung des Pegels des Lichtes dienen, das von dem Fenster zurückgeworfen wird und durch eine Detektoreinrichtung für den Pegel des zurückgeworfenen Lichtes,sowie durch eine Analysiereinrichtung zur Anzeige der Amplitude der Änderung des Pegels des zurückgeworfenen Liehts.

In der nachfolgenden Beschreibung wird das Wort "Licht" verwendet zur Bezeichnung nicht nur von sichtbarer Strahlung, sondern auch von Strahlung in dem Bereich von ultravioletten und infraroten Bereich des Spektrums.

"Optisch^ Eigenschaften" wird gebraucht zur Bezeichnung sowohl von reflektiven als auch von refraktiven Eigenschaften.

"Durchfluß" oder "Strömung" bedeutet relative Bewegung zwischen dem Fenster und dem Gemisch und schließt die Strömung von Dünnschichten ein.

Der Analysator gemäß der Erfindung kann auch eine Analysiereinrichtung zur Anzeige der Ä'nderungsfrequenz des Pegels des zurückgeworfenen Lichtes umfassen.

Das Lichtsystem kann einen Lichtleiter umfassen.

Das Fenster und der Lichtdetektor können an entgegengesetzten Enden des L chtleiters angeordnet sein.

Alternativ kann der Lichtleiter auch U- oder V-Form besitzen, wobei das Fenster in der Basis des U oder an der Spitze des V angeordnet ist und der Lichtdetektor sich am anderen Ende des Lichtleiters befindet.

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Das Fenster kann aus einer Krümmung des Lichtleiters bestehen, die genügend scharf ist, daß Licht aus dem Lichtleiter austreten kann, wenn dies durch die optischen Eigenschaften der Strömung hinter dem Fenster ermöglicht wird.

Alternativ kann das Fenster ein rechter Kreisk'onus aus transparentem Material sein, dessen Basisebene quer zum Strahl des Lichtes liegt, das von dem Lichtsystem projeziert wird. Der Refraktionsindex des transparanten Materials und der halbvertikale Winkel des Konus sind so gewählt, daß sie auf die optischen Eigenschaften der Strömung hinter dem Fenster abgestimmt sind.

Wenn der Analysator im Reflektionsmodus betrieben wird, wird das Fenster vorzugsweise durch einen Zylinder aus transparantem Material gebildet, dessen Endfläche quer zum Lichtstrahl liegt, der von dem Lichtsystem projeziert wird.

4.

Die Einrichtungen zur Detektion des Lichtes können ei'ne Fotozelle, einen Fototransistor oder andere fotoempfindliche elektrische Bauelemente umfassen zur Erzeugung eines elektrischen Signals, das repräsentativ ist für den Pegel des z^ückgeworfenen Lichts, und die Analysiereinrichtung kann eine Ausgangsanzeigeeinrichtung sowie Einrichtungen zur Verarbeitung des elektrischen Signals für die Betätigung der Ausgangsanzeigeeinrichtung umfassen.

Das Lichtsystem kann eine Festkörperlampe umfassen, die durch eine elektrische Wechselsignalquelle angeregt wird.

Die Verarbeitung des elektrischen Signals kann die Anwendung eines Triggerschaltkreises umfassen, der betätigbar ist, wenn das elektrische Signal einen Schwellenpegel übersteigt. Der Ausgang des Triggerschaltkreises kann an eine Integratoreinheit angeschlossen sein zwecks zeitlicher Mittelwertbildung des Ausgangs.

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Ein Analysator gemäß der Erfindlang kann auch Abtasteinrichtungen umfassen, die betätigbar sind für die Justierung der Stellung des Fensters relativ zur Strömung.

Gemäß der Erfindung wird ferner ein Mehrfachkopfgemischströmung sanalysat or vorgeschlagen mit einer Mehrzahl von Durchflußgemischanalysatoren wie oben beschrieben, wobei die Fenster in einer solchen Konfiguration entsprechend den Strömungsbedingungen, die zu messen sind, angeordnet sind, und die Ausgänge der Detektoren so kombiniert und manipuliert werden, daß eine Sichtanzeige des Gemischverteilungsprofils erzielt wird, sowie des Verhältnisses der Gemischbestandteile auf einer Anzeigeeinrichtung .

Die Ausgangsanzeigeeinrichtung kann ein Qszilloskop sein.

Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden, welche Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes darstellen.

Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Form eine Anordnung gemäß der Er-

• findung, die für die Anwendung als Durchflußgemischanalysator geeignet ist, .

Fig. 2,

j5, und

4 alternative Konstruktionen eines Teils der Anordnung nach Fig. 1, wobei Fig. 4 eine Schnittdarstellung ist,

Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 6 einen Teil der Anordnung nach Fig. 1 für die.Anwendung des Reflektionsmodus, '

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Pig. 7 eine alternative Anordnung eines Teils der Anordnung nach Pig. 1,

Fig. 8 eine Sehemadarsteilung für ein anderes Beispiel eines Durchflußgemischanalysators gemäß der Erfindung,

Fig. 9

und 10 alternative Konstruktionen von Teilen der Anordnung nach Fig. 8,

Pig. 11 eine Diagrammdarstellung einer Anordnung gemäß der Erfindung, die für die Feststellung der Bildung von Eiskristallen in einem Strom von feuchter Luft geeignet ist und '

Fig. 12 ein Diagramm e'nes Mehrfachkopfdurchflußgemischana- ' lysators gemäß der Erfindung.

Die Anordnung nach Fig. 1 umfaßt ein Bündel optischer Fasern 1, die an einem Ende in eine Spitze 2 auslaufen in Konusform in einem spitzen Winkel von 90°· Die optischen Fasern 1 brauchen nicht koherent angeordnet zu sein.. Der Refraktionsindex der Spitze nähert sich dem der Innenumkleidung der optischen Fasern 1. Ein geeignetes Fluid, das in dieser Technik bekannt ist, wird an der Innenfläche zwischen den Fasern angeordnet und an der Spitze um die Lichtstreuung herabzusetzen. Am anderen Ende des Bündels sind die Pasern in zwei Gruppen J5 und 4 aufgeteilt. Eine der Gruppen 3 ist für den Empfang von Licht von einer Lichtquelle 5 ausgebildet, während die andere Gruppe 4 für die.Übertragung von Licht zu einem Lichtdetektor 6 ausgebildet ist.

Die Lichtquelle umfaßt einen Lichtsender entsprechender Frequenz, sowie eine Anordnung für das Ausrichten eines Lichtstrahls von dem Lichtsender längs der Fasern.der einen Gruppe 3 des Faserbündels I. Als Lichtquelle ist eine Qüarzjodidlampe geeignet^

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deren Licht durch eine Linse mit großer öffnung.fokussiert · wird, und zwar auf das aufgezweigte Ende der einen Fasergruppe.

Die Spitze 2 wird als Teil einer Sonde 7 ausgebildet; alternative Konstruktionen derselben sind in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellt.

Die Sonde nach den Fig. 2 oder 2 besteht aus einem Glasstab von etwa 2 mm Durchmesser, der durch Erhitzen Lind Ausziehen auf einen Durchmesser von 0, 4 mm am engeren Ende angespitzt ist. Die Spitze 2 ist geschliffen und poliert, so daß sich ein rechtwinkliger Konus ergibt. Fig. 2 zeigt eine gerade Sondenkonstruktion und Fig. 3 eine L-förmige Konstruktion» Die Sonde kann in anderer Weise gebogenffaß für bestimmte Anwendungszwecke angepaßt zu werden unrer der Voraussetzung, daß scharfe Knicke vermieden werden.

In bestimmten Anwendungsfällen kann es erforderlich sein, daß die Spitze gegenüber Umgebungsbedingungen besonders widerstandsfähig ist. Die Sonde nach Fig. 4 wurde für diesen Zweck entworfen. Die Spitze 2 besteht, aus Safir am Ende eines spitz zulaufenden Safirstabes 8. Der Stab 8 wird durch eine Metallabdeckung geschützt, die gemäß ihren physikalischen Eigenschaften ausgesucht worden -ist. Es ist wünschenswert, ein Metall mit thermischen Expansionseigenschaften zu verwenden, die mit Safir kompatibel sind und durch das der Safir vollständig sicher geschützt ist. In Fig. ^ä ist ein spitz zulaufender Titanstab 9 dargestellt, der an einen Abschnitt 10 eines Rohres aus korrosionsfestem Stahl angelötet oder angeschweißt ist.

Im Betrieb befindet sich die Sondenspitze 2 in der zu analysierenden Durchflußmischung. Eine Abtasteinrichtung 12 kann vorgesehen sein für die Justierung der Stellung der Spitze 2. Die Sondenspitze wird relativ zum Durchfluß so angeordnet, daß ihre Achse koaxial mit der Strömung ist und.stromaufwärts

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gerichtet oder mit der Strömung parallel zu einer Fläche- des spitzen Profils oder in einer Zwischenstellung zwischen die- ■ sen beiden Grenzstellungen.

Die Länge der Sonde 7 wird festgelegt durch die erforderliche Spitzenanordnung in der Flüssigkeit oder durch den Bereich, der durch die Spitze abgetastet werden soll, falls diese Bedingung besteht. Die Querschnittfläche der Spitze quer zur Länge des Bündels ist abhängig von der Blasengröße, die festgestellt werden soll, wobei für jede Spitzenquerschnittsfläche eine minimale feststellbare Blasengröße existiert bei einer gegebenen Durchflußgeschwindigkeit.

Vor der Beschreibung des Detektors 6 und der zugehörigen elektrischen Einrichtungen sollen die optischen Eigenschaften, der Anordnung unter Bezugnahme auf Fig. 5 erläutert werden.' Fig. 5 zeigt das Ende einer Sonde 7· Ein Lichtstrahl, 'der* eigentlich parallel zur Achse der Fasern 1 in Richtung der Spjtze 2 von der Lichtquelle 5 laufen sollte, ist mit dem Bezugszeichen 13 bezeichnet. Der Lichtstrahl 15 trifft auf uie Grenzfläche 14 der Spitze 2 auf. Der nachfolgend von dem Lichtstrahl durchlaufende Pfad hängt von de'n refraktiven und Reflektionseigenschaften der Grenzfläche 14 ab.

Falls der Strahl 13 einen Auftreffwinkel (senkrecht zur Grenzfläche 14) von i° besitzt und das Spitzenmaterial einen Refraktionsindex ja, besitzt (bei einer bestimmten Lichtfrequenz) und das Material bei der Grenzfläche einen Refraktionsindex u besitzt (bei der selben Frequenz) ₃ so ist der Winkel zur Normalen des außen austretenden refraktjerten Strahls (falls ein solcher existiert) r° und gegeben durch die bekannte Gleichung

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Es ist offensichtlich, daß der Winkel i_ durch den Winkel der konischen Spitze 2 gegeben ist. Da der Strahl IJ in die Basis des Konus senkrecht (oder mindestens sehr nahe bei der Senkrechten) eintritt, so ist der Winkel i_ gleich (90 - halbsenkrechter Winkel auf den Konus) °* )i, ist gegeben durch die Wahl des Materials für die konische Spitze 2. ,u besitzt einen ersten Wert, beispielsweise u , , wenn das äußere Material in flüssiger Phase vorliegt und einen zweiten Wert, beispielsweise .ju, wenn es in Dampfphase vorliegt. Durch eine entsprechende Auswahl der Werte für den Konuswinkel und.μ, kann der Dampfwert μ so eingestellt werden, daß sich eine totale innere Reflektion in der konischen Spitze ergibt. In diesem Fall wird der Strahl gegen die Grenzfläche 15 reflektiert, wo er wieder in Richtung des Lichtdetektors 6 reflektiert wird. Durch die richtige Festlegung des Wertes μ , ist es möglich, daß keine innere Totalreflektion erfolgt, in welchem Fall weniger Licht auf den Lichtdetektor 6 gelangt. Demgemäß verursacht eine Änderung der Phase von flüssig zu Gas eine Änderung des äußeren Refrakti ons indexwert es von μ ·, auf μ und eine entsprechende Änderung des vom Detektor 6 festgestellten Lichtes,

Man erkennt demgemäß, daß die Ausbildung der Sonde 7 sich danach richtet, welcher Anwendungsfall ins Auge gefaßt wird. Das beschriebene Ausführungsbeispiel ist jedoch für einen breiten Anwendungsbereich geeignet.

Falls ein Konus von 90° Vertikalwinkel und ein Refraktionsindex von 1,62 angewandt werden, kann die Anordnung zwischen beinahe allen Flüssigkeiten und Gasen unterscheiden. Innere Totalreflektion erfolgt für diese Werte falls der äußere Refraktionsindex kleiner als 1,5 ist. Die Sonde ist demgemäß besonders geeignet für Gemische von Wasser (Refraktionsindex μ = und Luft (μ = 1,00) oder beispielsweise Freonflüssigkeit

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(μ = 1,25 bei und 67° C.) und Freondampf (u = 1,02).

Man erkennt, daß alle Gemische aus Bestandteilen mit Refraktionsindices, die genügend unterschiedlich sind, daß sich eine feststellbare Änderung in dem von der Sondenspitze zurückgeworfenen Lichtpegel ergibt, mit der Anordnung gemäß der Erfindung analysiert werden können. Demgemäß gibt es keine theoretische Begrenzung für die Anordnung bezüglich der Analyse von Gemischen aus verschiedenen Phasen. Unter der Voraussetzung, daß die Refraktionsindices entsprechend sind, können Gemische ^ von ineinander unlösbaren Flüssigkeiten analysiert werden. Eine Analyse von ineinander unlösbaren Flüssigkeitsgemengen kann interessant sein bei der Verwendung von Pipelines xn schubweisem Betrieb.

Die obigen Ausführungen beschäftigten sich mit' dem Fall, daß eine Änderung der Substanzen oder deren Phase von einer Änderung des Refraktionsindex allein begleitet wurde, während ein weiterer zu. berücksichtigender Faktor vorliegt, wenn eine Änderung der Phase oder Substanz von einer Änderung der RefLektionseigenschaften begleitet wird.

Fig. 6 zeigt eine Sondenkonstruktion, weLche für den Be- ) trieb im Reflektionsmodus geeignet ist. Der Lichtleiter 1 wird abgeschlossen durch eine Sonde27, welche keine konische Spitze, wie in der oben beschriebenen Konstruktion, besitzt, sondern eine plane Fläche 27 quer zur Achse des LichtMters. Eine solche Konstruktion kann'Anwendung finden in der Analyse von Quecksilber/Luftgemischen. Wenn die Fläche 27 von Quecksilber umgeben ist, wird Licht von der Lichtquelle 5 zurück durch die Fläche 27 zum Lichtdetektor 6 reflektiert. Falls jedoch die Fläche 27 von Luft umgeben ist, wird kein Licht an der Fläche 27 reflektiert (oder nicht bis zu einem merkbaren Gradei und • der Strahl tritt in die Luft aus. Infolgedessen kann der Unterschied zwischen Quecksilber und Luft durch Änderung des Lichtpegels, der zum Detektor 6 gelangt, festgestellt werden. Der

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Reflektionsbetriebsmodus kann Anwendung finden .in der Analyse von Gemischen aus Bestandteilen mit genügend unterschiedlichen Reflektionswerten.

Es ist ins Auge gefaßt, daß die Sonde nach dem Reflektionsmodus angewandt werden kann für die Analyse von Flüssignatrium/ Natriumdampfgemischen, beispielsweise im Kühlkreislauf eines natriumgekühlten Kernreaktors.

In allen Ausführungsformen ist der Lichtpegel am Lichtdetektor 6 ein Anzeigewert für die optischen Eigenschaften der Substanzen am Sondenende. Die Anordnung analysiert Gemische auf Basis von unterschiedlichen Bestandteilen des Gemisches mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften. Das Licht wird in ein repräsentatives elektrisches Signal unter Anwendung eines Fototransistors umgewandelt, beispielsweise wird das Signal dann verstärkt und einer Triggereinheit 16 zugeführt. Die Triggereinheit 16 wird auf einen vorgegebenen Wert oberhalb des Rauschens eingestellt (infolge unerwünschter Lichtstreuung) , so daß mit sich ändernden Bedingungen an der KonusspJtze 2 eine Serie sich in der Breite ändernder Rechteckimpulse erzeugt wird.

Eine Integratoreinheit 17 mittelt die AusgangsImpulse von der Triggereiheit l6 zur Anzeige des Verhältnisses der Bestandteile des Gemischs. Der Integrator umfaßt einen Feldeffekttransistor/ der von den Triggerausgangsimpulsen gespeist wird zur Steuerung der Ladung eines Kondensators durch eine Konstantstromwelle. Ein Entladewiderstand über dem Kondensator ermöglicht, daß der Kondensator sich auf ein Potential proportional zur mittlleren Pulsbreite auflegt. Dieses Potential wird an einem Ausgangsinstrument l8 angezeigt und stellt das Verhältnis der Bestandteile dar. Die Integrationsperiode kann geändert werden, um die Anordnung einem bestimmten Anwendüngsfall durch Änderung des Kondensatorwertes anzupassen.

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Falls ein Dampff1üssigkeitsgemisch analysiert wird, kann ' die Sonde zur Peststellung von Blasen verwendet werden. Der Ausgang des Detektors kann einen Oszilloskop zugeführt werden in Form von Pulsen, deren Breite die Blasengröße anzeigt und deren Pulsfolgerate eine gewisse Anzeige der Natur und der Rate der Blasenbildung ergibt.

Man erkennt, daß die Anordnung angewandt werden kann, um eine Leerperiode einer Flüssigkeitsströmung anzuzeigen. Ein Zähler der vom Ausgang der Triggereinheit gegattert wird und die Ausgangsimpulse eines Taktoszillators zählt, kann ange-" wandt werden,und unter entsprechender Eichung ergibt er eine direkte digitale Anzeige-der Leerperioden.

Eine digitale Anzeige der Anzahl von Blasen, die sich in einer gegebenen Periode bilden, läßt sich erzielen durch Anwendung eines digitalen "Ereigniszählers", welcher die Anza^hl der Impulse im Ausgang des Triggers zählt.

In der oben beschriebenen Ausführungsform wurde das Licht von der Lichquelle 5 einem Zweigende 3 des Lichtleiters 1 zugeführt, während das andere Ende 4 einem Detektor 6 zugeführt wurde. Alternative Aufbauten sind möglich, wobei ein Beispiel in Fig. 7 dargestellt ist. Hier überträgt e:n einzelnes Bündel optischer Fasern33 Licht von einer Quelle 30 zu einer Spitze 29. Das von der Spitze 29 zurückkehrende Licht wird einem Lichtdetektor J51 zugeführt (der den übrigen oben beschriebenen elektrischen Geräten, wie oben beschrieben,vorgeschaltet ist). Ein halbversilberter Spiegel 32 wird in den Lichtpfad geschaltet, um in bekannter Weise das ausgesandte und das rücklaufende. Licht voneinander zu trennen und zu verhindern, daß Licht von der Quelle 30 direkt auf den Detektor j51 gelangt.

Jedes der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele kann mit einer Festkörperlampe als Lichtquelle betrieben werden. Die Lampe kann von einer Hochfrequenzquelle angesteuert werden, so daß der Lichtausgang wirksam zerhackt wird. Die Verwendung von zer-

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■hacktem Licht ist insbesondere vorteilhaft, da die Verwendung von Wechselspannungsverstärkern, die dem Detektor nachgeschaltet sind, ermöglicht wird. Ein bestimmtes Beispiel für ein sol ches System ist in Fig. 8 dargestellt.

Die Hochfrequenzquelle 33 zur Speisung der Lampe 34 hat eine Frequenz von 100 MHz, und die Lampe 34 ist vom Gallium--Arsenid-Typ. Der Block 35 stellt ein optisches System dar, umfassend eine Gemischanalysensonde, wie oben beschrieben, von der das Licht zum Detektor und den Triggerschaltkreisen 36 zurückkehrt. Der Ausgang des Triggerschaltkreises besteht aus einem Hoehfrequenzsignal (infolge der zerhackten Natur des Lichts), das pulsmoduliert ist entsprechend den Knd-erungen der optischen Eigenschaften an der Sondenspitze. Ein Zähler 37 kann verwendet werden zur Zählung der Anzahl der Hochfrequenzschwingungen im Triggerausgang, welche während.einer vorgegebenen Zeitdauer erfolgen zwecks Anzeige der Verhältnisse der Gemischbestandteile. Ein "Ereigniszähler" J>Q (mit einem entsprechenden Tiefpaßfilter) kann verwendet werden zur Zählung der Änderungen der optischen Eigenschaften des Fensters während einer vorgegebenen Periode.

Die.Verwendung einer Gallium-Arsenid-Lampe ermöglicht, daß die optischen Teile der Anordnung sehr kompakt ausgebildet werden können, wie in den Fig. 9 und 10 dargestellt. Eine GaI-lium-Arsenid-Lampe 39 ist direkt in einer Sonde 4θ des beschriebenen Typs eingesetzt, so daß das Licht in Richtung der Sondenspitze'ausgesandt wird. Die Fläche der Lampe 39 in Kontakt mit der Sonde 40 bedeckt nur einen Teil der Fläche des ' Sondenquerschnitts, während der übrige Teil der Fläche Verwendung findet für den Empfang des rücklaufenden Lichtes von der Spitze durch einen Detektor 4l. In Fig. 9 ist die Lampe 39 zentral eingesetzt und von einem ringförmigen Detektor 41 umgeben.

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Eine etwas abgewandelte Konstruktion ist in Pig. IO dargestellt, in der die Lampe auf einem verlängerten Endabschnitt Ser Sonde 40 angeordnet ist. Es wird vermutet, daß Konstruktionen möglich sind, bei denen, die Gallium-Ar--.-_:. ■ senid-Lampe ein integraler Bestandteil der Sonde ist.

Gemischdurchflußanalysatoren gemäß der Erfindung können verwendet werden für die Analyse von Wasser/Wasserdampfgemischen (beispielsweise in der Destillation oder in der VeT--_: ■ dampfersteuerung), Preongas/Freonflüssigkeitanalyse (Kern-.. ■ physik), Wasser/Luftanalyse (Kavitationsprobleme), wie auch in vielen anderen Fällen. Die Analysatoren gemäß der Erfindung sind durch ihre Vielseitigkeit gekennzeichnet, indem sie nicht spezielle für je-den bestimmten Anwendungsfall geeicht werden müssen.

Die-Anordnung kann in klaren oder milchigtrüben Flüssigkeiten arbeiten, unabhängig von deren elektrischer Leitfähigkeit oder deren Widerstand.

Die oben beschriebene Ausführungsform nach dem Refraktionsmodus kann auch verwendet werden zur Feststellung der Blasenbildung in Flüssigkeit in einem Faß oder einem Kessel, in dem ein. chemischer oder Fermentationsprozeß stattfindet, wobei die Blasenbildung anzeigt, daß eine bestimmte Stufe des Prozesses erreicht worden ist. In ähnlicher Weise kann die Anordnung verwendet werden zur Feststellung des Aufhörens der Blasenbildung.

Fig. 11 zeigt einen Eisdetektor gemäß der Erfindung silt ähnlichen Eigenschaften wie die oben beschriebenen Ausführungsformen. Ein Bündel optischer Fasern 19 endet in einem Detektorkopf 20 .von rechtwinklig konischer Form mit einem spitzen Winkel von 90° . Am anderen Ende des Bündels 19 sind die Fibern aufgeteilt in zwei Gruppen 21 und 22. Die Gruppe empfängt Licht

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von einer Quelle 23, während die andere Gruppe auf einer Anzeigeplatte 24 befestigt ist. Ein halbkugelfrömiger Schild 25 schirmt den Detektor gegen verschmutzung ab (beispielsweise zum Fernhalten von Schlamm von Straßenoberflächen, falls der Detektor an einem Fahrzeug befestigt ist).

Im Betrieb wird der Dtektor an einer Flugzeugtragfläche, an einem Motorfahrzeug oder beispielsweise einem Schiff derart befestigt, daß eine Luftströmung über den Detektorkopf streicht. Die Luft wird durch die Anordnung daraufhin analy- . siert, ob Eiskristalle vorhanden sind.

Wenn feuchte Luft am Detektorkopf vorhanden ist, ist das am Ende der Faserngruppe 22 auftretende Licht gering. Wenn sich jedoch Eis bildet, erscheint viel mehr Licht am Ende dei Faserngruppe 22. Das zunehmende Licht dient als Warnung des Beobachters vor einer Eisbildung. Alternativ kann eine elektronische Anordnung verwendet werden zur Feststellung des Lichtpegels entsprechend der Eisbildung.

Fig. 12 zeigt vier Sätze von Durchflußanalysatoren ähnlich denen des ersten Ausführungsbeispiels, kombiniert zur Ausbildung eines Mehrfachkopfgemischdurchflußanalysators. Der Durchflußanalysator A umfaßt eine Lichtleiter 26a, Sonde 27a und Detektor und Triggerschaltkreise 28a. Die Durchflußanalysatoren B, C und D sind identisch ausgebildet und mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Eine gemeinsame Lichtquelle w^:rd zur Speisung der Lichtleiter 26a, 26b, 26c una 26d eingesetzt. Die Sonden 27a, 27b, 27c und 27d sind in einer Konfiguration angeordnet,entsprechend den Durchflußbedingungen, welche gemessen werden sollen. Die Ausgänge der Detektoren und Triggerschaltkreise 28a, 28b, 28c, und 28d werden in einer Kombiniereinheit so kombiniert, daß sieh eine Sichtanzeige des Gemischverteilungsprofils und der GemischbestandteilVerhältnisse an einer äußeren Anzeigeanordnung J>1 (die ein Oszilloskop sein kann) ergibt.

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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele umfassen sämtlich einen Lichtleiter mit einem Fenster in Form einer geschliffenen konischen Spitze, jedoch sind andere Formen gemäß der Erfindung möglich. Beispielsweise kann das Fenster gebildet werden durch Biegen eines Lichtleiters geringen Durchmessers um einen Winkel, der in Verbindung mit dem Biegungsradius der Fensterzone groß genug ist, daß sich eine wesentliche Störung der totalen Innenreflektionseigenschaften des Lichtleiters ergibt. Das Fenster kann meißeiförmig sein oder irgendeine Form einer optischen Oberfläche unter einem Winkel aufweisen.

Es ist nicht erforderlich, daß das Licht von der Lichtquelle zu dem Fenster über einen Lichtleiter übertragen wird. Es wäre möglich, einen engen Lichtstrahl zu benutzen, der durch das Medium zwischen Quelle und Fenster in die Basis des Fensters projeziert wird. Es versteht sich, daß Änderungen des Übentragungsmediums und von außen einfallendes Licht unzulässig sind, die das Licht in dem Pfad zum oder von dem Fenster modulieren könnten. Insbesondere darf das Strömungsmedium nicht zwischen der Lj entquelle und dem Fenster strömen, derart, daß es Änderungen des Lichtpegels hervorrufen kann. Eine koherente Lichtquelle kann sich für diesen Betriebsmodus als vorteilhaft erweisen. Der Betrieb in dem nicht sichtbaren Bereich des Spektrums ist bereits erwähnt worden und könnte sich als zv.eckmäßig in Anwendungsfällen erweisen, bei denen sichtbares Licht ausschließt.

Patentansprüche;

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Claims

Patentansprüche

.Gemischdurchflußanalysator;, gekennzeichnet durch ein Lichtsystem zur.Projektion eines Lichtstrahls auf ein Fenster, das so ausgebildet und angeordnet ist» daß Änderungen der optischen Eigenschaften der Strömung hinter dem Fenster die Steuerung, des Pegels von Licht bewirken, -das vom Fenster zurückgeworfen wird und durch Detektoreinrichtungen für den Pegel des zurückgeworfenen Lichtes, sowie Analysiereinrichtungen zur Anzeige der Amplitude der Pegeländerungen des zurückgeworfenen Lichts.
2. Analysator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Analysiereinrichtungen zur Anzeige der Frequenz der Pegeländerungen des zurückgeworfenen Lichts.

=vt α -■·; ■ ■ ■
3· Analysator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtsystem einen Lichtleiter umfaßt.
4. Analysator nach Anspruch 3> dadUKh gekennzeichnet, daß sich das Fenster an einem Ende des Lichtleiters befinuet und die Detektoreinrichtung am anderen Ende des Lichtleiters.
5* Analysator nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter von U- oder V-Form ist und das Fenster sich in der Basis des' U oder an der Spitze des V befindet und die Lichtdetektoreinrichtung sich am anderen Ende des Lichtleiters befindet .
6. Analysator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster durch eine Biegung des Lichtleiters gebildet ist, welche genügend scharfe Krümmung besitzt, daß Licht aus dem Lichtleiter·austreten kann, wenn dies durch die optischen Eigenschaften der Strömung hinter dem Fenst-er .ermöglich'c wird. 9 0 9 8 8 S / 1 flffl
J. Analysator nach einem der. Ansprüche 1 bis 5-,. dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster durch einen, rechten Kreis- " ...-konus aus transparentem Material gebildet ist mit der Ebene seiner Basis quer zum Lichtstrahl der von· dem. Licht system projeziert wird.
8. Analysator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet=, daß der Spitzenwinkel des Konus 90° beträgt. ■ zm:^r
9. Analysator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch

* gekennzeichnet, daß das Fenster durch einen Zylinder aus transparentem Material geoildet ist mit seiner Enaflache quer zum von dem Lichtsystem projezierten Lichtstrahl. ·
10. Analysator nach einem der vorangehenden Ansprüche', dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtsystem eine Festkörperlampe umfaßt, die durch eine pulsierende elektrische Quelle angeregt wird.
11. Analysator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß d:\e Detektoreinrichtung für das Licht ein fotoempfindliches elektrisches Bauelement zur Erzeugung

k eines elektrischen Signals umfaßt, das repräsentativ für den Pegel des zurückgeworfenen Lichtes ist, und daß die Analysiereinrichtung eine Anzeigeeinrichtung, sowie eine Anordnung zur Verarbeitung des elektrischen Signals für die Betätigung der Anzeigeeinrichtung umfaßt.
12. Analysator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verarbeitung des elektrischen Signals ein Triggerschaltkreis vorgesehen ist, der bei Überschreiten eines Schwellempegeis durch das elektrische Signal betätigbar ist.

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13. Analysator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Triggerschaltkreisausgang mit. einer Integratoreinheit für die Bestimmung des zeitlichen Mittelwerts des Ausgangs verbunden ist.
14. Analysator nach e;nem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Abtasteinrichtungen für die Justierung der Stellung des Fensters relativ zur Strömung.
15· Analysator nach den Ansprüchen 5, 11, 13 und 7 oder 9> dadurch gekennzeichnet, daß das transparente Material Safir ist, daß das fotoempfindliche elektrische Bauelement ein Fototransistor ist und daß die Integratöreinhejt einen Kondensator mit einem Parallelwiderstand umfaßt, der unter Steuerung durch den Triggerausgang von einem Konstantstromgenerator geladen wird. .
16. Analysator nach den Ansprüchen Ί, 10, 13 und 7 oder 9> dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter ein Festkörper ist, daß die Festkörperlampe eine Gall ium-Arsenid-Lampe ist, daß das Fenster !in Teil des "",ichtleiters ausgebildet ist, daß die Lampe und die Detektoreinrich ung beide an dem dem Fenster abgewandten Ende des Lichtleiters angeordnet sind, und daß der Integrator aus einem Zähler für die Zählung der Änderungen im Ausgang des Triggerschrltkreises besteht, entsprechend den Änderungen im Lchtaisgang der Lampe im Ansprechen auf die Wechselst eisung derselben.
17. Analysator nach einem der vorangehenden Ansprüche, ausgebildet als Mehrfachkopfgemischdurchflußanalysator, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Fenster in einer Konfiguration ange:rdnet s"'nd entsprechend den Strömungsbedingungen, welche gemessen werden sollen, und daß die Ausgänge der Detektoren so kombiniert und manipuliert werden, daß eine Sichtanzeige des Gemischverteilungsprofils und der GemischbestandteilVerhältnisse auf einer Anzeigeeinrichtung erzielt wird.

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l8. Analysator nach Anspruch IJ, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung ein Oszilloskop ist.

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