KR810000796B1

KR810000796B1 - Immiscible liquid measurement

Info

Publication number: KR810000796B1
Application number: KR7602058A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 피트 질리스; 윌리엄 블랙 필립
Original assignee: 제임스 에이. 퍼디; 인터내쇼날 스탠다드 일렉트릭 코포레이션
Priority date: 1976-08-21
Filing date: 1976-08-21
Publication date: 1981-07-06

Abstract

내용 없음.No content.

Description

Dispersion ratio measuring device of unmixed solution

제1도는 본 발명에 의한 측정장치의 구성다이아그램1 is a configuration diagram of the measuring device according to the present invention

제2도는 섬유의 노출부위에 부착된 기름방울이 얼만 섬유광선 약화를 증가시키느냐를 표시하는 다이아그램2 is a diagram showing how oil droplets attached to exposed areas of a fiber increase fiber weakening.

본 발명은 일반적으로 상대적 액체 백분율의 측정분야에 관한 것이고 특히 물속의 기름의 비율을 측정하는데 관한 것이다.The present invention relates generally to the field of measurement of relative liquid percentages and in particular to measuring the proportion of oil in water.

종래의 기술에서 여러가지 장치가 물속의 기름의 측정문제에 대하여 거론되었다. 이들은 화학적, 기계적이거나 광학적이던간에 본 발명이 속하는 일반적인 분야에 해당한다. 이들 종래의 기술분야의 장치중에는 기본적으로 혼합물의 전도성, 어떤 전기적 파라메타 또는 혼합물의 실제 농도를 측정하는 것들이 있다.많은 이들 알려진 기술은 용해성 또는 비용해성의 기타물질이 존재하는 용액에 대해서 취급이 귀찮고, 시간이 소요되고 지나치게 예민한 것들이었다. 바닷물의 측정에 있어서 거기에 필요한 장치는 대단히 커지고 관련된 염도는 여러가지 간섭을 하게 된다. 염도는 강의 어귀 또는 바다의 얕은 영역에서 많이 변한다. 같은 측정목적을 위하여 어느 선행기술의 장치는 자외선 형광 또는 적외선 흡수에 의지하였지만 결과로서 기름함유량에 변화가 있었다. 이들은 비교적 빠른 측정을 제공하지만 염도에 예민하여 배의 갑판에서 사용될 때 빈번한 교정을 요하게 된다.In the prior art various devices have been addressed for the problem of measuring oil in water. These fall within the general field of the present invention, whether chemical, mechanical or optical. Among these prior art devices are basically those which measure the conductivity of a mixture, some electrical parameters or the actual concentration of the mixture. Many of these known techniques are cumbersome to handle for solutions in which soluble or insoluble other substances are present, It was time consuming and too sensitive. In the measurement of sea water, the equipment needed for it becomes very large and the associated salinity causes various interferences. Salinity varies a lot at the mouth of a river or in shallow areas of the sea. For the same measurement purposes, some prior art devices rely on ultraviolet fluorescence or infrared absorption, but as a result there is a change in oil content. They provide relatively fast measurements but are sensitive to salinity, requiring frequent calibration when used on the deck of a ship.

본 발명은 일반적으로 낮은 굴절율의 제2액체속에 비혼합성 제1액체가 분산되어 있는 제1액체의 비율을 측정하는데 적용된다. 특히 필수적은 아니지만 점용적으로 물속에 분산되어 있는 현존기름의 측정에 적용된다. 이와 같은 측정은 예를 들면 기름감시기로부터 밸러스트용수(ballast water)의 배출을 지시하는데 필요하게 된다. 기타 용도로는 유조선의 밸러스트용수의 배출감시를 하는 것이다.The present invention is generally applied to measuring the proportion of a first liquid in which a non-mixable first liquid is dispersed in a second liquid of low refractive index. It is not particularly necessary but applies to the measurement of existing oils which are dispersed in water in a topical manner. Such a measurement is needed to direct the discharge of ballast water, for example from an oil monitor. Other uses include monitoring the discharge of ballast water from oil tankers.

본 발명에 의하여 낮은 굴절율의 제2액체속에 비혼합성으로 분산되어 있는 제1액체의 비율을 측정하기 위한 장치와 기본 방법이 제공된다. 이 방법은 액체분산속에 잠겨져 있는 노출부위를 가진 광학섬유의 길이의 광학적 약화를 감지하도록 되어 있으며 상기 노출부분은 제2액체보다 큰 굴절율을 가지나 제1액체보다 10%이상 더 크지는 않다. 섬유의 노출부위의 굴절율은 제1액체의 굴절율과 같거나 또는 보다 적은 것이 적합하다. 광원은 스펙트럼의 가시광선에 속하는 발광체가 필수적인 것은 아니며 선택적으로 적외선 또는 자외선 발광체를 사용할 수 있다.The present invention provides an apparatus and a basic method for measuring the proportion of a first liquid that is immiscibly dispersed in a second liquid of low refractive index. This method is designed to detect the optical weakening of the length of the optical fiber with the exposed part submerged in liquid dispersion, the exposed part having a larger refractive index than the second liquid but not more than 10% larger than the first liquid. The refractive index of the exposed portion of the fiber is preferably equal to or less than the refractive index of the first liquid. The light source is not necessarily a light emitter belonging to the visible light of the spectrum, and may optionally use an infrared or ultraviolet light emitter.

측정작업은 단속적으로 분할된 양을 샘프링측정할 수도 있으며 연속흐름상태로 측정할 수도 있다. 연속 흐름의 측정은 전체흐름에 대해 할 수도 있고 또는 샘프링에 의하여 할 수도 있다.The measurement may be performed by sampling the intermittently divided amount or by continuous flow. The measurement of the continuous flow can be made for the whole flow or by sampling.

본 발명에 의하여 낮은 굴절율의 제2액체속에 비혼합적으로 분산되어 있는 제1액체의 비율을 측정하기 위한 장치가 제공되며 이 장치는 액체분산을 가진 측정실을 지나는 광학섬유를 포함한다. 측정실내의 광학섬유는 노출부위를 가지며 이 노출부위의 코아굴절율은 제2액체의 굴절율보다 크나 제1액체의 굴절율보다는 10% 이상 더 크지는 않는다. 광원은 섬유의 일단으로 빛을 보내고 섬유의 타단으로 섬유를 통하여 전달되는 광선의 크기(강도)를 측정하기 위하여 배치된 검출기를 포함한다. 다른 형의 장치로서 측정실을 액체분산이 흐르도록 되어 있는 덕트로 대치한 것이다.According to the present invention there is provided an apparatus for measuring the proportion of a first liquid which is immiscibly dispersed in a second liquid of low refractive index, the apparatus comprising optical fibers passing through a measuring chamber with liquid dispersion. The optical fiber in the measurement chamber has an exposed area, and the core refractive index of the exposed area is larger than that of the second liquid but not more than 10% greater than that of the first liquid. The light source includes a detector arranged to send light to one end of the fiber and to measure the magnitude (intensity) of the light beam passing through the fiber to the other end of the fiber. Another type of device is to replace the measuring chamber with a duct through which liquid dispersion flows.

분산액의 균등성을 증진시키고 섬유에 부착하는 제1액체의 다량축적을 막기 위하여 광학 섬유의 노출부위의 인접부근에서 초음파적으로 분산액을 진동시켜주는 것이 바람직하다.In order to improve the uniformity of the dispersion and to prevent large accumulation of the first liquid adhering to the fiber, it is preferable to vibrate the dispersion ultrasonically in the vicinity of the exposed portion of the optical fiber.

물속의 기름을 측정하는데 적용할 수 있는 본 발명의 특징은 대양의 물과 생수에 의해 희석된 강어귀물 사이에서 흔히 일어나는 염의 함유도의 변화에 대해서 비교적 둔감하다는 것이다.A feature of the present invention that can be applied to the measurement of oil in water is that it is relatively insensitive to changes in the content of salts that commonly occur between oceanic waters and estuaries diluted by bottled water.

배에 싣고 다니는 장치로서의 본 장치는 자외선 형광과 적외선 흡수를 이용하는 형태의 다른 장치와 비교할 때 재교정을 요하는 빈도를 줄일 수 있는 잇점을 가지고 있다. 다음으로 양호한 실시예에 의해 본 발명에 의한 물속의 기름측정장치에 관하여 상세하게 설명한다. 설명은 첨부된 도면을 참조한다.The device as a shipboard device has the advantage of reducing the frequency of recalibration compared to other devices in the form of ultraviolet fluorescence and infrared absorption. Next, the oil measuring apparatus in water by this invention is demonstrated in detail by preferable Example. The description refers to the accompanying drawings.

제1도의 장치는 필수적인 광원(10)과 일부분이 파이프(12)를 통하여 지나가게 되는 광한섬유(11)와 검량용 광학검출기(13)로 되어 있다. 파이프(12)를 지나가고 있는 섬유의 적어도 일부분은 노출상태에 있으며 이 부분의 굴절율은 물보다는 크나 기름과는 같거나 다소 작다. 파이프내에 물만이 있을 때는 물이 효과적으로 섬유의 노출부분을 덮는 것처럼 된다. 그러나 만일 기름이 있고 기름방울이 섬유에 부착되어 있게 되면 광선은 이 부위에서 방출을 통해 물로 방사되어 섬유의 광학적 약화를 증가시키게 된다. 즉 섬유는 측방향의 빛의 방사로 인하여 손실되게 된다. 이런 상황의 설명이 제2도에 광학적으로 설명되어 있다.The apparatus of FIG. 1 consists of an essential light source 10 and an optical fiber 11 and a calibration optical detector 13 through which a portion passes through the pipe 12. At least a portion of the fiber passing through the pipe 12 is exposed and the refractive index of this portion is greater than water but less than or equal to oil. When there is only water in the pipe, it is as if water effectively covers the exposed part of the fiber. However, if there is oil and oil droplets are attached to the fiber, the light rays are radiated into the water through the emission from this area, increasing the optical weakening of the fiber. That is, the fibers are lost due to the lateral radiation of light. An explanation of this situation is given optically in FIG.

제2도에는 기름방울(20)이 물(22)에 잠겨 있는 광학섬유의 노출부분의 표면에 부착되어 있는 것이 표시되어 있다.FIG. 2 shows that the oil droplet 20 is attached to the surface of the exposed portion of the optical fiber immersed in the water 22.

광선(23)은 섬유/물 경계면(27)을 부딪치지 않고 각 점에서 전체가 내부 반사에 의하여 섬유를 통해 저나되는 것으로 표시되어 있다. 광선(24) 및 (25)는 광선(23)과같이 섬유측에 대해 같은 각도로 진행되므로 기름방울(20)이 없는 곳에서는 광선(23)과 같은 방법으로 섬유속을 진행함을 볼 수 있다. 그러나 기름 방울의 굴절율이 섬유의 굴절율보다 크기 때문에 광선(24)와 (25)는 경계면(27)을 통하여 기름방울 안으로 굴절되어 들어간다. 그 후에 기름방울의 모양이 둥글기 때문에 이 광선은 기름방울/물의 경계표면을 임계각보다 작은 각으로 부딪치게 되면 이 광선은 물속으로 굴절되어 들어간다. 다른 광선은 광선(26)과 같이 임계각보다 큰 각으로 기름방울/물의 경계표면에 부딪치게 되며 이로서 반사하게 된다. 광선(26)과 같은 이들 일부광선은 섬유내로 다시 반사되어 되돌아오나 섬유 내로의 입사각이 섬유/물 경계표면에 대한 임계각보다 작기 때문에 섬유를 통해서 기름방울의 반대편의 섬유측면으로부터 나오게 된다. 그러나 기름방울 위에 입사되는 이러한 광선들의 일부는 섬유로 다시 반사되어 섬유상을 전파되는 일관성있는 각도로 진행됨을 알아야 한다.Light ray 23 is marked as being entirely passed through the fiber by internal reflection at each point without hitting the fiber / water interface 27. Light rays 24 and 25 proceed at the same angle with respect to the fiber side, such as light beam 23, so where the oil droplets 20 are absent, it can be seen that the fiber bundle proceeds in the same way as the light beam 23. . However, because the refractive index of the droplets is greater than the refractive index of the fiber, rays 24 and 25 are refracted into the droplets through the interface 27. Since the droplets are then rounded, the beam hits the droplet / water's landmark surface at an angle less than the critical angle, causing the beam to deflect into the water. The other ray hits the landmark surface of the droplet / water at an angle greater than the critical angle, such as ray 26, thereby reflecting. Some of these rays, such as rays 26, return back into the fiber but come out of the fiber side opposite the oil droplet through the fiber because the angle of incidence into the fiber is less than the critical angle to the fiber / water landmark surface. However, it should be noted that some of these rays incident on the oil droplets proceed at a consistent angle where they are reflected back into the fiber and propagate through the fiber phase.

제2도는 기름방울의 굴절율이 섬유의 굴절율보다 큰 상태를 대표한 기하학적 설명이다. 이러한 조건에서 일부광선은 섬유와 기름방울의 경계표면에서 굴절하게 되나 적은 일부광선은 반사하게 된다. 그러나 섬유굴절율이 기름의 굴절율과 같을 때는 반사광선이 없어지고 광선은 섬유/기름 경계면을 벗어나지 않고 진행하게 된다. 만약 기름이 굴절율이 섬유의 굴절율보다 작은 경우에는 섬유/기름의 경계표면에 의해 생기는 과학적인 안내지시를 측정하게 된다. 물의 굴절율보다 큰 굴절율의 기름으로 마련된 광학적 안내지시는 섬유/물의 경계표면에 의한 광학적 안내지시보다 작게 되므로 섬유에 부착된 기름방울이 존재하게 되며 섬유내 전파하는 광선을 여전히 감쇠하게된다. 이 감쇠는 굴절율이 같은 경우에는 보다 작게 되며, 이러한 이유로 해서 기룸의 굴절율보다 섬유의 굴절율이 10%이상 큰 것은 바람직하지 못하다.2 is a geometric representation representing a state in which the refractive index of the droplets is larger than the refractive index of the fiber. Under these conditions, some rays are refracted at the landmark surfaces of the fibers and oil droplets, but some rays are reflected. However, when the fiber refractive index is equal to the refractive index of the oil, the reflected light disappears and the light proceeds without leaving the fiber / oil interface. If the oil has a refractive index less than the fiber's refractive index, the scientific guidance given by the fiber / oil landmark surface is measured. The optical guides made of oil with a refractive index greater than the refractive index of water are smaller than the optical guides by the fiber / water's landmark surface, resulting in droplets of oil attached to the fibers and still attenuating light propagating in the fibers. This attenuation becomes smaller when the refractive indices are the same, and for this reason, it is not preferable that the refractive index of the fiber is more than 10% larger than the refractive index of the room.

섬유의 노출 부분은 세척하는 몇몇 장치는 섬유에 아주 많은 기름이 축적되는 것을 방지하기 위해 있게 된다. 이러한 것을 할 수 있는 한 방법으로는 파이프와 섬유로 된 장치를 동일한 한쌍으로 마련하는 것이다. 주기적으로 흐름을 한쪽 파이프로부터 다른 한쪽 파이프로 변환시키며 한쪽 파이프가 사용되고 있을 때 다른 파이프는 물/기름 혼합물 흐름의 작용개선을 위한 준비로서 세탁제에 의해 세정된다. 세척하는 또 다른 방법은 하나 또는 그 이상의 초음파 전달장치 (14)(제1도)를 섬유인접부분의 파이프내에 설치하는 것이다. 이 초음파 세척장치는 물속의 기름분산을 더욱 균일하게 증진시키는 부가적 잇점을 갖는다. 광원으로는 비화칼륨 레이저와 같은 레이저광선을 사용하거나 수정 할로겐램프와 같은 광범위 스펙트럼 발광체를 사용한다. 실리카는 광학섬유설치를 만드는데 많이 사용하는 적당한 물질이다. 왜냐하면 이것의 굴절율(1.45)은 순수한 물(1.33) 또는 바닷물(1.34 내지 1.38)의 굴절율보다 큰 반면 적어도 1.47 정도의 전형적 굴절율을 갖는 대개의 광물성 기름의 굴절율보다 약간 작은 값이 되기 때문이다. 그러나 몇몇 경우에 있어서는 플래스틱물질로 만든 공지의 광학섬유를 사용하는 것이 바람직하다.Some devices for cleaning the exposed part of the fiber are in place to prevent the accumulation of too much oil in the fiber. One way to do this is to equip a pair of pipe and fiber devices. Periodically converts the flow from one pipe to the other and when one pipe is in use, the other pipe is cleaned with a laundry detergent in preparation for improving the action of the water / oil mixture flow. Another method of cleaning is to install one or more ultrasonic transducers 14 (FIG. 1) in the pipes of the fiber adjacencies. This ultrasonic cleaning device has the added advantage of more evenly promoting oil dispersion in the water. As a light source, a laser beam such as potassium arsenide laser is used, or a broad spectrum light emitter such as a quartz halogen lamp is used. Silica is a suitable material that is often used to make optical fiber installations. Because its refractive index (1.45) is greater than that of pure water (1.33) or seawater (1.34 to 1.38), but slightly less than that of most mineral oils with typical refractive indices of at least 1.47. However, in some cases it is desirable to use known optical fibers made of plastics.

각각의 특별한 기름들을 검출구별키 위해 굴절율이 다른 섬유세트를 사용할 수 있으며 또한 섬유를 통해 전파되는 광선의 파장을 여과하여 스펙트럼의 특별부위로부터 검출할 수가 있다.Fiber sets with different indices of refraction can be used to identify each particular oil and can also be detected from special parts of the spectrum by filtering the wavelength of the light propagating through the fiber.

만약 페인트와 같은 오염물에 의해 중대한 오차가 측정치에 생기게 되면 기름을 제거한 흐름 용액 중에 잠긴 섬유를 가진 제어루프를 사용하는 것이 고려된다.If significant errors are caused in the measurement by contaminants such as paint, it is considered to use a control loop with fibers submerged in the deoiled flow solution.

장치의 특징은 광학섬유를 함유하기 때문에 장치의 표시부위는 광학섬유에 의하여 장치의 떨어져 있는 검지기와 용이하게 연결시킬 수 있다. 이러한 경우에 광학섬유의 연결은 검지섬유와 연속될 수도 있다.Since the feature of the device contains optical fiber, the display portion of the device can be easily connected to the sensor which is separated by the optical fiber. In this case, the connection of the optical fiber may be continuous with the detection fiber.

이러한 연속은 통상적으로 피막층을 제공하게 된다. 또 다른 방법으로는 측정섬유의 말단을 낮은 전달손실을 위하여 선택된 한쌍의 섬유로 하는 것이다. 감지기로부터 광원과 검출기를 분리하는 것은 실제 사용면에서 유용한 것이고 그 이유는 안정성을 위해 광원과 검출기를 위한 전압공급장치는 감지기 주위로부터 멀리 떨어져 있는 것이 바람직하다.This continuation typically provides a coating layer. Another method is to use a pair of fibers selected for low transfer loss at the end of the measuring fiber. Separating the light source and the detector from the detector is useful in practical use because the voltage supply for the light source and the detector is preferably far away from the detector for stability.

장치의 예민도는 물속의 기름에 대하여 수 ppm의 수로 읽게 되어 있다. 예를 들면 110㎛ 직경인 23cm길이의 노출부분을 갖는 실리카섬유를 사용하여 6328A에서 작동하는 HeNe 레이저로부터 발생하는 광선을 전파시켜 측정할 때 검출력은 섬유의 말단에서 순수한 물인 경우에는 230μW인데 대하여 굴절율이 1.4이고 100ppm의 기름을 함유하는 물에 있어서의 100㎛로 변화된다. 예민도는 섬유의 노출부분이 길면 길수록 증가할 뿐만 아니라 노출부분을 구부려뜨림으로써 역시 증가된다.The sensitivity of the device is to be read in several ppm of oil in water. For example, by measuring the propagation of light from a HeNe laser operating at 6328A using silica fiber with an exposed portion of 23 cm length of 110 μm diameter, the detection power is 230 μW for pure water at the end of the fiber. It is changed to 100 mu m in water containing 1.4 and 100 ppm of oil. Sensitivity is increased not only by the longer exposed part of the fiber, but also by bending the exposed part.

대안장치로서 파이프(12) 대신에 액체분산의 분할된 양이 들어 있는 측정실을 대치하여 단속측정을 위해 분배하도록 한 것이 있다.An alternative arrangement is to replace the measuring chamber containing the divided amount of liquid dispersion instead of the pipe 12 to dispense for intermittent measurement.

상기 특별히 설명한 예는 본 발명을 이해시키기 위한 것에 불과하며 본 발명의 범주에 제한을 가하는 것은 아니다.The above specifically described examples are merely for understanding the present invention and do not limit the scope of the present invention.

Claims

In the apparatus for measuring the ratio of the non-mixable first liquid in the second liquid having a low refractive index, the optical fiber is arranged so that the exposed part passes through the measurement chamber containing liquid dispersion, and the core refractive index of the optical fiber is Measuring the amount of light that is greater than the refractive index of the second solution but not more than 10% greater than the refractive index of the first solution and is transmitted by the optical scintillation as a function of the ratio of the first solution in the second solution In order to measure the dispersion ratio of the non-mixable solution, characterized in that it has an optical detector connected to the other end of the optical fiber.