NO880954L - Fiberoptisk detektor for oljer og opploesningsmidler. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fiberoptisk detektor for oljer, oppløsnlngsmldler og lignende flytende hydrokarboner, bestående av en fiberoptisk lystransmitter og lysmottager og en optisk fiber som er forbundet med disse, og av en pick-up for avføling av nevnte væsker, anbrakt ved sistnevnte frie ende.

Det er mulig med denne typen apparatur ved anvendelse av fiberoptik raskt å sikkert å detektere forskjellige typer væsker, spesielt forskjellige oljer, såsom lette eller tunge brenselsoljer, eller også andre væsker som utgjør brann-eller eksplosjonsfare, såsom oppløsnlngsmldler. Innrentingen er spesielt godt anvendelig for tilveiebringelse av alarm ved væskelekkasje, fordi innretningen har en relativt høy deteksjonshastighet.

Innenfor kjemisk industri må fremfor alt farlige og brennbare væsker ofte lagres i store cisterner både utendørs og innendørs. På grunn av lekkasje utgjør en slik cisterne en betydelig sikkerhetsrisiko, for mennesker såvel som for naturen. Elektronisk deteksjon av spesielt væsker som utgjør fare for brann eller eksplosjon er vanskelig fordi en elektronisk, galvanisk måling og alarm pick-up innbefatter .en fare for kortslutning og gnistdannelse. Lekkasjedetektoren bør være "internally safe"; dette kan oppnås ved å anvende fiberoptik; fiberen er en isolator og fullstendig passiv i motsatt fall, og den kan ikke utsettes for kortslutning og forårsake gnistdannelse. Deteksjon av oljer og oljelekkasje er også relativt vanskelig av den grunn at oljen er heller passiv, og f.eks. er dens dielektrisitet konstant, lite forskjellig fra den for f.eks. sandholdig jord. Oljelekkasje observeres generelt ikke før det for sent. Deteksjon av små lekkasjer kan være spesielt vanskelig, fordi det er vanskelig å registrere lekkasjen på grunnlag av væskenivået, f.eks. i en stor cisterne. Dersom det videre gjelder hurtig for-dampende væsker, herunder hører mange oppløsnlngsmldler, kan stoffet fordampe før lekkasjen registreres. Innretningen for deteksjon av lekkasje bør derfor være meget følsom og rask. Innretningen beskrevet 1 foreliggende oppfinnelse vil f.eks. detektere aceton i løpet av ca. 1 sekund og brenselsolje på mindre enn et halvt minutt. Disse hastighetene er tilfreds-stillende .

U.S. patent nr. 4,386,269 beskriver en detektor hvor der for fiberen er tilveiebrakt et spesielt ytre lag hvis brytningsindeks er forskjellig fra den for fiberen selv, slik at lyset reeflekteres eller refrakteres inn i fiberen. Når et slikt lag gjøres olje-absorberende endres brytningsindeksen, slik at lys vil "lekke ut" og lyseledningsegenskapene I fiberen endrer seg, slik at det absorberes totalt. Det er vesentlig at det oljeabsorberende laget er i kontakt med kjernen av fiberen for at betingelsen for total refleksjon kan endres. Relasjonene mellom brytningsindeksen for fiberen og dens ytre lag endrer seg på en gitt måte, slik at betingelsen for total reflaksjon ikke lenger er oppfylt for kjernen og laget som står 1 umiddelbar kontakt med denne.

I detektoren ifølge U.S. patent nr. 4,159,420 benyttes en fiber som har en brytningsindeks som er høyere enn den for det omgivende materialet. Fiberen er omgitt med et materiale hvis brytningsindeks endrer seg når det kommer i kontakt med f. eks. olje. Denne endringen av brytningsindeks har den virkningen at betingelsen for total refleksjon i kjernen av fiberen ikke lenger er oppfylt og lys "lekker ut", dette forårsaker betydelig ekstra svekkelse av lyspropageringen. Ved enden av fiberen kan et speil være installert, refleksjonen fra dette returnerer lyset til dets utgangspunkt, hvorved lyset når det reflekteres ay veggene av fiberen kan observere endringen av brytningsindeks og kan svekkes. Det er vesentlig at relasjonene mellom brytningsindekséne for fiberkjernen og dens ytre lag endrer seg på- en gitt måte, slik at betingelsen for total refleksjon ikke lenger er oppfylt for kjernen og laget i umiddelbar kontakt med denne.

I den publiserte EP-søknad nr. 126,600 anvendes optiske fibrer for å observere nærværet av visse kjemikalier ved anvendelse av en pick-up konstruksjon av en slik type hvor enden av fiberbunten er tett omgitt av en porøs membran hvori det er tilveiebrakt pulverformig, tverrbundet polystyren. Til dette polystyrenpulveret er kjemisk bundet en reagens som endrer farge ved kontakt med væsken som skal overvåkes. Den porøsemembranen består av teflon som avstøter vann. Kjemikalien som skal overvåkes passerer gjennom teflonfilmen og reagerer med det nevnte stoffet som er tilveiebrakt i polystyrenpulveret, de spektroskopiske egenskapenene for stoffet endres ved kontakt med væsken.

I W0-86/05589 er det benyttet et materiale hvortil det er permanent tilknyttet et indikatorstoff hvis spektrale egenskaper endrer seg når det kommer i kontakt med stoffet som skal overvåkes.

GB patent nr. 21 03 286 beskriver en detektor hvori overflaten av fiberkjernen er dekket med et indikatorstoff som har en porøs overflate. Enden av den optiske fiberen er utstyrt med et speil som reflekterer lyset tilbake til den elektroniske måleenheten.

Det kan bemerkes vedrørende den herskende teknikkens stand at det er tildllgere kjent at optiske fibrer kan benyttes for å observere sensorelementer installert ved enden av fiberen. Lys sendes fra en optisk fibertransmitter ved hjelp av fiberen til objektet som skal undersøkes, og lyset bringes tilbake til en detektor langs den samme, eller en annen, fiber. Sensorelementet ved enden av fiberen påvirkes deretter på en eller annen måte ved det fenomenet som undersøkes.

En lekkasjedetektor er kjent innen teknikken-som detekterer nærværet av oljer basert på det forhold at lagmaterialet for den optiske fiberen består av et materiale som sveller når det kommer i kontakt med olje. Oljen får deretter tilgang til rommet mellom laget og fiberen, dette forårsaker ekstra svekksels i lysoverføringen.

Formålet med oppfinnelsen er å oppnå en forbedring i de nåkjente fiberoptiske detektorutførelsene. Et ytterligere formål ved oppfinnelsen er å tilveiebringe en detektor som er "internally safe".

Nok et formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en detektor som er meget følsom og rask.

Formålene ved oppfinnelsen oppnås med en detektor som hovedsakelig er kjennetegnet ved at sensor pick-up'en er en pick-up som består av et hvilket som helst slikt materiale, som ved kontakt med væsken som skal overvåkes, absorberer væsken ved kapi1larvirkning, eller av et materiale som oppløses i væsken som skal overvåkes, hvorved den optiske refleksjonskoeffIsienten for pick-up materialet endrer seg, slik at det kan observeres ved hjelp av en fiberoptisk detektor på en måte som er kjent innen fiberoptik.

De andre viktige karakteristiske trekkene -ved detektoren ifølge oppfinnelsen er angitt i kravene 2-4.

Oppfinnelsen er beskrevet i detalj ved henvisning til visse fordelaktige utførelser av oppfinnelsen, som også er gjengitt i figurene i den vedlagte tegningen, imidlertid er oppfinnelsen ikke ment å være begrenset til disse utførelsene. Figur 1 viser skjematisk en fordelaktig utførelse av den fiberoptiske detektoren Ifølge oppfinnelsen. Figur 2 viser en fordelaktig utførelse av den avfølende pick-upen anvendt i figur 1 i større målestokk. Figur 3 viser en annen fordelaktig utførelse av. avfølings-pick-up'en anvendt i figur 1 i større målestokk. - Figur 4 viser skjematisk absorpsjonen av en væskedråpe og dens bevegelse fra sensorpick-up'ens fargede ende ved hjelp av kapillarkraft til den andre enden av det porøse pick-up-materialet, fargen følger med.

Det inventive trekket ved foreliggende innretning er en drastisk endring av den optiske refleksjonskoeffisienten for pick-up'en montert på enden av en optisk fiber når den kommer i kontakt med olje eller med et oppløsningsmiddel, slik at endringen av optisk kontrast kan observeres ved hjelp av fiberoptiske retninger. Naturligvis kan endringen av optisk refleksjonskoeffisient observeres f.eks. med en kombinasjon av LED lampe og fotodiode, men et slikt arrangement er ikke "internally safe" med tanke på eksplosive væsker. I mot-setning til en passiv fiberpick-up kan en slik innretning heller ikke begraves i grunnen.

Fra fiberoptik er fiberopriske transmitterer og mottagere kjente, hvorved gjenstander kan observeres ved hjelp av fibrer. Selv om slike arrangementer i og for seg tidligere er kjente utgjør de en viktig del av foreliggende oppfinnelse. Videre anvendes fiberoptiske retningsbrytere, hvorved lyset som kommer fra pick-up'en kan separeres fra transmisjonslyset som beverger seg langs den samme fiberen.

Det finnes et stort antall fiberformige stoffer som ved hjelp av kapi1larkrefter opptar væsker ved absorpsjon og endrer farge. Som et eksempel kan man betrakte en sukkerbit dyppet i en kaffekopp. Sukkerbiten absorberer raskt kaffe og blir mørk. Den mørke fargeendringen kan observeres ved hjelp av fiberoptik. Dersom videre sukkerbiten holdes lenge i kaffen vil den oppløses fullstendig og også dette kan observeres med fiberoptik. Dette utgjør også en del av oppfinnelsen. Når imidlertid formålet er å observere oljer eller andre flytende hydrokarboner, f.eks. blant sand, må pick-up'en være vannavstøtende men hydrokarbonabsorberende. I dette tilfellet bør pick-up-materialet være hydrofobt, fortrinnsvis hvitt av farge, og porene i stoffet bør være av egnet størrelse. Fra polystyren er det mulig å sintre porøse gjenstander som har nøyaktig de ønskede egenskapene. Dersom en porøs polyetylen-kapsel neddykkes i vannoppløsellg blekk vil den forbli hvit, mens den øyeblikkelig blir mørk ved neddykking i alkoholoppløselig blekk. Sintret polyetylen er mekanisk holdbart også under andre betingelser.

Det finnes også andre porøse materialer, f.eks. materiale i filtpenntupper, og porøs teflonfilm ("Bore Tex"), som har de ønskede egenskapene.Den ønskede hydrofobe kvaliteten og kapillariteten avheger grunnleggende av overflate-spenningsegenskapene for materialet på grenseflaten mellom to stoffer.

I forbindelsen med søknaden er det utført forsøk med sintrede polyetylenpulvrkapsler, f.eks. på en slik måte at pick-up'en har vært nedgravet i sandholdig jord i ett år uten noen endring i dens funksjon. Optiske fibrer tåler nedgravning i grunnen forutsattat visse beskyttelsestrinn foretas. Det er åpenbart at pick-up-hodet må beskyttes mekanisk, slik at det ikke utsettes for noe stress. Et tynt oljelag som flyter på vann, som detekteres ved hjelp av pick-up'en.

Et annet alternativ for observasjon av væsker er å benytte et materiale som raskt oppløses i disse. I dens enkleste form er en pick-up av denne typen en hvit flekk av maling påført på enden av fiberen som raskt vil oppløses, f.eks. i aceton, når den kommer i direkte kontakt med denne. Ved virkningen av oppløsningen reduseres refleksjonen drastisk og alarm oppnås.

Pick-uo'ene beskrevet ovenfor er naturlig gode for éh enkelt anvendelse, og ved praktisk bruk må de gjøres lett utbytt-bare. Dette er en ulempe, idet lekkasje også vanligvis er en enkelt foreteelse.

Det skal til sist bemerkes at de målte "på/av" forholdene har vært bedre enn 20 dB, hvilket gir en tilstrekkelig margin med hensyn på ekstra svekkelser som kan finne sted i fibrene, f.eks. på grunn av bøyning. Oftere er imidlertid fiberen beskyttet, f.eks. med et beskyttelsesrør, mot ytre påvirk-ninger .

I figur 1 sender den fiberoptiske transmitter/mottageren 11 lys inn i fiberen 13 ved en egnet bølgelengde, mot pick-up'en 14 på den frie enden av fiberen, slik at lyset som returnerer fra pick-up-enden trer inn i mottageren, ved hjelp av den optiske retningsbryteren 12. Det skal i denne forbindelse bemerkes at detektoren 10 ifølge oppfinnelsen virker like godt med to separate fibrer, en av dem den overførende fiberen og den andre den mottagende fiberen, men dette endrer ikke i betydelig grad oppfinnelsen. Væsken 16 i beholderen 15 representerer væsken som skal detekteres. Naturligvis kan væsken 16 f. eks. være væsken som er lekket ut i grunnen og kommer i kontakt med pick-up'en 14.

Figurene 2 og 3 viser i større detalj utførelsen av pick-up-hodet. Ved enden av fiberen 13 er det ved hje_lp av en holder eller mansjett 19 montert pick-up-delen 17. Fiberen 13 benyttetfor å overvåke det optiske refleksjonslaget på den øvre overflaten av pick-up-materialet. Pick-up-materialet er et porøst materiale, slik at når det kommer i kontakt med væsken 16 trekkes eller absorberes væsken 16 ved hjelp av kapillarfenomenet inn i pick-up-materialet, hvorved den optiske refleksjonskoeffisienten ved pick-up-materialets øvre overflate endres. Det skal derved understrekes at kapillarkraften som finner sted i. det porøse materialet beveger en del av væsken 16 til en posisjon nær enden av fiberen 13. Siden enden av fiberen 13. kan væreisolert fra væsken 16 selv, er denne ikke nødvendigvis forurenset.

Dersom væsken 16 som skal overvåkes forårsaker bare en mindre endring i refleksjonskoeffesienten, kan kontrastendringen forsterkes ved farging av pick-up-materialet med et egnet fargemiddel 18, i dette tilfelle vil fargemiddelet 18 bevege seg enden av fiberen 13 sammen med væsken 16, som det fremgår i figur 3. Dette kan være en god fremgangsmåte ved deteksjon av fargeløse oppløsnlngsmldler, såsom aceton, etanol eller tilsvarende.

I figur 4 er nærmere vist absorpsjonen av en væskedråpe 16a og dens bevegelse fra den fargede enden av pick-up'en 17, ved hjelp av kapillarkraften, til den andre enden av det porøse pick-up-materialet, fargemiddelet 18 følger med. Fargemiddelet 18 må være oppløselig i den aktuelle væsken 16. Fargemiddelet kan være blekk eller tilsvarende.

Når den fiberoptiske transmitter/mottager-enheten 11 observerer en endring i den optiske refleksjonskoeffisienten oppnås et alarmsignal som indikerer denne hendelsen fra det elektroniske utstyret på en måte som i og for seg er kjent innen elektronikk. Det er åpenbart fra ovenstående at pick-up-materialet er avgjørende for funksjonen.

Claims (4)

1. Fiberoptisk detektor (10) for oljer, oppløsnlngsmldler og lignende flytende hydrokarboner, og andre væsker, bestående av en fiberoptisk lystransmitter og lysmottager (11) og av en optisk fiber (13) knyttet til disse, på hvis frie ende det er anbragt en pick-up (14) som avføler nevnte væsker, karakterisert ved at sensor-pick-up' en (14) er en pick-up (17) fremstilt av et materiale som når det kommer i kontakt med væsken som skal detekteres enten absorberer væsken ved hjelp av kapi1larkrefter i seg selv, eller er en pick-up (17) av et materiale som oppløses i væsken som skal detekteres, hvorved den optiske refleksjonskoeffisienten for pick-up-materialet endres, slik at det kan observeres med den fiberoptiske detektoren (10) på en måte som er kjent innen fiberoptikk.

2- Fiberoptisk detektor ifølge krav 1, karakterisert ved at pick-up'en (17) består av sintret, porøst polyetylen eller annet ekvivalent, porøst materiale som avstøter vann eller andre uønskede væsker, men absorberer væsker som skal detekteres.

3. Fiberoptisk detektor ifølge krav 1, karakterisert ved at prick-up'en (17) består av materiale som bare oppløses i et gitt, på forhånd bestemt stoff.

4. Fiberoptisk detektor ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at-den avfølende pick-up'en (14) på én ende er farget med et egnet fargemiddel - (18), hvorved fargemiddelet beveger seg sammen med væsken som absorberes til den ufargede enden av den avfølende pick-up'en (14).