DE2636215A1

DE2636215A1 - Verfahren und einrichtung zum messen des anteils einer ersten in einer zweiten vorhandenen fluessigkeit

Info

Publication number: DE2636215A1
Application number: DE19762636215
Authority: DE
Inventors: Philip William Black; Gillies David Pitt
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1975-08-21
Filing date: 1976-08-12
Publication date: 1977-03-03
Also published as: SE7609213L; ES450848A1; DD126512A5; FI762391A7; FR2321692B1; FR2321692A1; BR7605495A; NO762867L; IL50275A; JPS5226897A; ZA764870B; DK375776A; BE845311A; NL7608468A; AU505122B2; CA1062496A; US4045668A; PT65499A; IT1065116B; PT65499B

Description

Patentanwalt
Dipl.-Phys.Leo Thul
Kurze Straße 8
7 Stuttgart 30

G.D.Pitt-P.W.Black 11-10

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

VERFAHREN UND EINRICHTUNG ZUM MESSEN DES ANTEILS EINER ERSTEN IN EINER ZWEITEN VORHANDENEN FLÜSSIGKEIT

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen des Anteils einer ersten in einer einen kleineren Brechungsindex aufweisenden zweiten feinverteilt vorhandenen Flüssigkeit, in der die erste nicht lösbar ist, wobei die Änderung einer zwischen einem Medium und der zweiten Flüssigkeit gebildeten Grenzschicht ausgewertet wird.

Eine besondere aber nicht ausschließliche Anwendung liegt in der Messung der Anwesenheit von im Wasser vorhandenen öl. Solche Messungen sind bespw. bei der überwachung des Entleerens des Wasserballastes bei öltankern erforderlich.

Aus der DT-OS 22 2k 310 ist ein Anzeigegerät zum Nachweis des ölgehaltes in Wasser bekannt, bei dem auf eine Grenzfläche, die vom Wasser und von einem anderen Medium gebildet wird, unter einem bestimmten Winkel ein Strahlenbündel gerichtet ist. Ist im Wasser öl vorhanden, so geht die Refraktion an der Grenzfläche in eine Totalreflexion über. Eine Signalvorrichtung wertet das reflektierte Strahlenbündel aus. Dieses Anzeigegerät bedarf bei einer Änderung des Wassers, bspw. seines Salzgehaltes, einer neuen Einstellung und Justierung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen der Anteile einer ersten Flüssigkeit, die in

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9.8.1976

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einer zweiten Flüssigkeit feinverteilt vorhanden ist, anzugeben, das für verschiedene Flüssigkeitsmischungen ohne Umstellungen geeignet ist und dabei auch geringe Anteile feststellen kann. Eine weitere Aufgabe ist die Angabe einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Messung der Anteile einer Flüssigkeitsmischung.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Dämpfung des durch einen Abschnitt einer Lichtleitfaser, die einen in das Flüssigkeitsgemisch eingetauchten überzugsfreien Bereich aufweist, gegebenen Lichtes überwacht und daraus der Anteil der ersten Flüssigkeit abgeleitet wird, wobei der Überzugsfreie Bereich einen größeren Brechungsindex als die zweite Flüssigkeit, aber einen nicht mehr als 0,1 größeren als die erste Flüssigkeit aufweist.

Vorzugsweise ist dabei der Brechungsindex des überzugsfreien Bereiches der Lichtleitfaser dem Brechungsindex der ersten Flüssigkeit angeglichen oder er ist kleiner.

Die Lichtquelle ist nicht unbedingt ein Strahler im sichtbaren Spektrum, es kann alternativ auch ein infrarot oder ein ultraviolett Strahler sein.

Die Messung kann an einer entnommenen diskreten Probe oder an dem fließenden Flüssigkeitsgemiseh vorgenommenwerden, wobei beim letzteren die Messung in einem von einem größeren Durchfluß abzweigenden Kanal möglich ist.

Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemSßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß durch eine das Flüssigkeitsgemiseh aufnehmende Meßkammer eine Lichtleitfaser geführt ist, die innerhalb der Meßkammer einen überzugsfreien Bereich aufweist, dessen Kern einen Brechungs-

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index aufweist, der größer als der der zweiten Flüssigkeit, aber nicht mehr als 0,1 größer als der der ersten Flüssigkeit ist, daß eine Lichtquelle zum Einleiten von Licht in das eine Ende der Lichtleitfaser und am anderen Ende ein Detektor zum Messen des durch die Lichtl*itfaser gelaufenen Lichtes vorhanden ist.

Bei einer anderen Form der Einrichtung ist die Meßkammer durch einenKanal ersetzt, durch den die Flüssigkeitsmischung geleitet wird.

Vorzugsweise wird die Flüssigkeitsmischung in der Nähe des überzugsfreien Bereiches der Lichtleitfaser durch Ultraschallbestrahlung in Vibration versetzt, da dies die Gleichmäßigkeit der Flüssigkeitsmischung fördert und eine nicht typische große Ansammlung der ersten Flüssigkeit an der Lichtleitfaser verhindert.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung bei der Messung von ölanteilen in Wasser ist der, daß das Verfahren vergleichsweise unempfindlich gegen solche Änderungen im Salzgehalt des Wassers ist, wie sie zwischen den verschiedenen Ozeanen, Meeren und Flußmündungen anzutreffen sind. Bei einem Meßinstrument auf einem Schiff hat dies den Vorteil, daß die Intervalle zwischen den Nacheichungen im Vergleich mit anderen Instrumenten dieser Art, die auf der Benutzung der UV-Fluoreszenz und der IR-Absorption aufbauen, vergrößert werden können.

Ausführungsbeispiele

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in der Zeichnung schematisch dargestellten Beispiels näher erläutert, wobei eine Meßeinrichtung zum

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Feststellen von öl in Wasser als eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben wird. Es zeigen:

Fig. 1 eine Blockbilddarstellung der zur Meßeinrichtung gehörenden Bauteile und

Fig.2 einen öltropfen an dem überzugsfreien Bereich der Lichtleitfaser, wodurch die Abschwächung der Lichtleitung hervorgerufen wird.

Die in Fig.l dargestellte Meßeinrichtung besteht im wesentlichen aus einer Lichtquelle 10, einem Abschnitt einer Lichtleitfaser 11 von der ein Teil durch einen Kanal 12 geführt ist und einem geeichten optischen Detektor 13. Zumindest der durch den Kanal 12 geführte Bereich der Lichtleitfaser ist überzugsfrei und weist einen Brechungsindex auf, der größer als der des Wassers, aber der dem des Öls angeglichen oder etwas kleiner ist. Wenn nur Wasser im Kanal ist, so wirkt das Wasser als ein überzug für den überzugsfreien Bereich der Lichtleitfaser. Wenn jedoch öl vorhanden ist und ein öltropfen liegt an der Lichtleitfaser an, dann strahlt Licht durch den öltropfen in das Wasser mit dem Ergebnis, daß die Dämpfung der Lichtleitfaser zunimmt. Dieser Vorgang ist anhand von Strahlenbündel in Fig.2 dargestellt.

In Fig.2 ist ein öltropfen 20 an der Oberfläche eines überzugsfreien Bereiches einer Lichtleitfaser 21 dargestellt, die in Wasser 22 eingetaucht ist. Ein Strahl 23 zeigt den Durchgang durch die Lichtleitfaser durch totale innere Reflexion in allen Punkten an, in denen er auf die Faser/Wasser-Grenzschicht trifft. Unter dem gleichen Winkel zur Achse wie der Strahl 23 breiten sich Strahlen

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2h und 25 aus und sie durchlaufen, in der Abwesenheit des öltropfens 20, die Lichtleitfaser in der gleichen Weise wie der Strahl 23. Jedoch ist der Brechungsindex des öltropfens größer als der der Lichtleitfaser und deshalb werden die Strahlen 24 und 25 in den öltropfen gebrochen. Hier gelangen sie an die gerundete Form des öltropfens und treffen die Tropfen/Wasser-Grenzschicht unter einem kleineren als den kritischen Winkel und werden daher in das Wasser gebrochen. Andere Strahlen, wie z.B. der Strahl 26, mögen auf die Tropfen/Wässer-Grenzschicht unter einem größeren als den kritischen Winkel treffen und werden deshalb reflektiert. Einige dieser Strahlen, wie der Strahl 26, werden jedoch in die Lichtleitfaser zurückgebrochen, aber unter einem Einfallswinkel, der kleiner ist als der kritische Winkel für die Faser/Wasser-Grenzschicht und werden deshalb auf der dem öltropfen gegenüberliegenden Seite der Lichtleitfaser wieder auftauchen. Es wird jedoch geschätzt, daß einige der in den öltropfen einfallenden Strahlen in die Lichtleitfaser unter einem solchen Winkel zurückgelangen, der ihnen den Durchgang durch die Lichtleitfaser erlaubt.

Fig.2 stellt den Zustand dar, bei dem der Brechungsindex des öltropfens größer ist als der der Lichtleitfaser. Unter diesen Umständen wird das Licht an der Grenzschicht zwischen der Lichtleitfaser und dem Öltropfen gebrochen und ein kleiner Teil auch reflektiert. Wenn jedoch der Brechungsindex der Lichtleitfaser dem des öltropfens angeglichen wird, verschwindet der reflektierte Anteil und das Licht geht unentwegt durch die Faser/Öl-Grenzschicht. Wenn der Brechungsindex des Öls kleiner ist als der der Lichtleitfaser, dann ist da ein bestimmtes Maß an optischer Leitung

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durch die Faser/Öl-Grenzschicht bereitgestellt. Ist aber der Brechungsindex des Öls größer als der des Wassers, ist diese optische Leitung kleiner als die durch die Faser/Wasser-Grenzschicht bereitgestellte und deshalb wird die Anwesenheit eines öltropfens an der Lichtleitfaser nur den Lichtdurchgang durch die Lichtleitfaser dämpfen. Diese Dämpfung wird kleiner sein als für den angeglichenen Fall und aus diesem Grund ist die Verwendung einer Lichtleitfaser, deren Brechungsindex den vom öl um mehr als 0,1 überschreitet, nicht zu bevorzugen.

Normalerweise sind einige Mittel zum Säubern des überzugsfreien Bereiches der Lichtleitfaser nötig, um eine untypische Anhäufung von öl an der Lichtleitfaser zu vermeiden. Ein Weg um dieses zu erreichen, ist der, daß man ein gleiches Paar von Kanälen und Lichtleiter hat. Periodisch wird die fließende Flüssigkeit von dem einen Kanal zum anderen umgelenkt und der vorher benutzte Kanal wird dann mit Detergentien gesäubert, um ihn für das nächste Durchfließen vorzubereiten. Eine alternative Methode der Säuberung enthält die Plazierung von einem oder mehreren Ultraschallgebern (nicht gezeigt) im Kanal in der Nähe der Lichtleitfaser. Diese Ultraschallreinigung hat den weiteren Vorteil, daß sie eine gleichmäßigere Mischung des Öls mit dem Wasser hervorruft.

Die Lichtquelle kann ein Laser, bspw. ein Gallium-Arsenid Laser oder ein breitbandiger Spektralemitter, z.B. eine Quartz-Halogen-Lampe sein.

Für viele Anwendungen ist Silikat ein geeignetes Material für den Kern der Lichtleitfaser, weil dann der Brechungsindex (1,^5) bedeutend über dem von reinem Wasser (1,33)

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oder Seewasser (1,3¹I-1,38) liegt, während er leicht unter dem der meisten Mineralöle, die einen typischen Brechungsindex von zumindest 1,^7 haben, liegt. Für einige Anwendungen kann jedoch die Benutzung von Lichtleitfasern mit einem Kern aus Plastikmaterial bevorzugt sein.

Zum Erfassen von und Unterscheiden zwischen bestimmten ölsorten kann ein Satz von Lichtleitern mit verschiedenen Brechungsindiees benutzt werden und auch die Wellenlänge des durch den Lichtleiter laufenden Lichtes kann aus einem besonderen Teil des Spektrums durch filtern ausgewählt werden.

Wenn ein bedeutsamer Fehler in die Messung durch die Anwesenheit einer besonderen Verunreinigung gelangt ist, wie z.B. durch abgekratzte Farbe, dann kann dies berücksichtigt werden, indem eine Kontrollschleife mit einer in eine vom öl gereinigte Strömung eingetauchten Lichtleitfaser benutzt wird.

Ein Vorteil der Meßeinrichtung mit einer Lichtleitfaser ist der, daß der Anzeigeteil der Meßeinrichtung durch Lichtleiter mit einem entfernten Fühlerteil der Meßeinrichtung verbunden werden kann. In diesem Falle kann der verbindende Lichtleiter eine Verlängerung der Lichleitfaser des Fühlerteils sein. Solch eine Verlängerung der Lichtleitfaser wird normalerweise mit einer Überzugsschicht versehen. Alternativ können die Enden der die Messung ausführenden Lichtleitfaser im Fühlerteil mit Lichtleitern gekoppelt werden, die geringere Verluste aufweisen. Die Entfernung der Lichtquelle und des Detektors vom Fühlerteil ist in den Anwendungsfällen nützlich, in denen es aus Sicherheitsgründen verlangt wird, daß die Stromversorgung für die Lichtquelle und den Detektor weit aus der Umgebung des Fühlerteils herausbleibt.

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Die Empfindlichkeit der Meßeinrichtung kann leicht in der Größenordnung von einigen Teilen per Millionen (ppm) von öl in Wasser liegen. Beispielsweise wechselt bei der Benutzung einer 23 cm langen überzugsfreien und 110 μΐη dicken Lichtleitfaser aus Silikat und einem bei 6328 8 arbeitenden HeNe-Laser die empfangene Leistung am hinteren Ende der Lichtleitfaser zwischen 230 yW für reines Wasser und 110 pW für Wasser mit einem Anteil von 100 Teilen per Millionen (ppm) öl mit dem Brechungsindex 1,5· Die Empfindlichkeit kann nicht nur durch eine längere überzugsfreie Lichtleitfaser in der Flüssigkeit, sondern auch durch Krümmungen im überzugsfreien Bereich erhöht werden.

In einer alternativen Ausführung der Meßeinrichtung ist der Kanal 12 durch eine Meßkammer ersetzt, in die eine diskrete Menge des Flüssigkeitsgemisches zum Ausmessen eingefüllt ist.

7 Ansprüche
1 Bl.Zeichnung

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Claims

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Ansprüche

Verfahren zum Messen des Anteils einer ersten in einer einen kleineren Brechungsindex aufweisenden zweiten feinverteilt vorhandenen Flüssigkeit, in der die erste nicht lösbar ist, wobei die Änderung einer zvrischen einem Medium und der zweiten Flüssigkeit gebildeten Grenzschicht ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfung des durch einen Abschnitt einer Lichtleitfaser, die einen in das Flüssigkeitsgemisch eingetauchten überzugsfreien Bereich aufweist, gegebenen Lichtes überwacht und daraus der Anteil der ersten Flüssigkeit abgeleitet wird, wobei der überzugsfreie Bereich einen größeren Brechungsindex als die zweite Flüssigkeit, aber einen nicht mehr als 0,1 größeren als die erste Flüssigkeit aufweist.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkeitsgemisch in der Mhe des überzugsfreien Bereiches der Lichtleitfaser durch Ultraschall in Vibrationen versetzt wird.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex der Lichtleitfaser dem der ersten Flüssigkeit angeglichen oder kleiner ist.

Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch

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eine das Flüssigkeitsgemisch aufnehmende Meßkammer eine Lichtleitfaser (11) geführt ist, die innerhalb der Meßkammer einen überzugsfreien Bereich aufweist, dessen Kern einen Brechungsindex aufweist, der größer als der der zweiten Flüssigkeit, aber nicht mehr als 0,1 größer als der der Flüssigkeit ist, daß eine Lichtquelle (lo) zum Einleiten von Licht in das eine Ende der Lichtleitfaser und am anderen Ende ein Detektor (13) zum Messen des durch die Lichtleitfaser gelaufenen Lichtes vorhanden ist.

Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzugsfreie Bereich der Lichtleitfaser (11) durch einen Kanal (12) geführt ist, durch den das Flüssigkeitsgemisch fließt.

Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Ultraschallgeber in der Meßkammer oder im Kanal in der Nähe des überzugsfreien Bereiches der Lichtleitfaser angeordnet sind.

Einrichtung nach Anspruch A, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (11) mit der Lichtquelle (lo) und · mit dem Detektor (13) durch Lichtleitfasern anderer Art verbunden ist.

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