ОПТИЧЕСКИЙ ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР И ДАТЧИК ГЛУБИНЫ ЖИДКОСТИ
OPTICAL CHEMICAL ANALYZER AND LIQUID DEPTH SENSOR

Настоящее изобретение относится к оптическому химическому анализатору и датчику глубины жидкости. В частности, изобретение относится к оптическому химическому анализатору и датчику глубины жидкости, которые могут прикрепляться к сосуду текучей среды, например газопроводу.
Газопроводы формируют часть Национальной газотранспортной системы (NTS) для транспортировки газа от точек входа в точки выхода. Точки входа могут включать в себя береговые терминалы, очистные сооружения и складские сооружения. Точки выхода могут включать в себя соединения с распределительными сетями, крупными потребителями и дополнительными местами хранения.
Присутствие загрязняющих веществ внутри газопроводов является проблемой в течение некоторого времени. Например, каждый год имеется несколько серьезных инцидентов, связанных с жидкостным загрязнением внутри газопроводов системы NTS, некоторые из которых причиняют повреждение газовому оборудованию, которое формирует часть NTS, или оборудованию крупных промышленных потребителей. Годовой счет за исправление повреждений и обеспечение компенсации потребителям только в Соединенном Королевстве рассматривается как превосходящий £1M.
Имеется три основных предполагаемых механизма для жидкостного загрязнения.
Во-первых, газопроизводители (то есть те, кто поставляют газ в NTS через точки подачи) могут случайно допускать, что жидкости (например, гликоли, метанол, амины, вода или газоконденсаты) загрязняют газ. Это может происходить по нескольким причинам. Осушка гликолем является хорошо известным способом для удаления нежелательной воды из газа. Примеры гликолей, которые могут использоваться, включают в себя триэтиленгликоль (TEG) и этиленгликоль (MEG). Гликоли вводятся в газ, чтобы они могли обезвоживать газ, и затем гликоли впоследствии удаляются из газа. Аналогичным образом, амины могут добавляться в газ, чтобы удалять нежелательный сероводород и углекислый газ. Метанол может добавляться, чтобы снижать риск формирования гидрата. В некоторых случаях удаление добавленного метанола и/или аминов может не быть полным, оставляя их оставаться внутри газа в качестве жидкостного загрязняющего вещества. В дополнение, внутри газа могут присутствовать более тяжелые конденсаты углеводорода (например, конденсаты углеводорода с длиной углеродной цепи, равной шести или более).
Во-вторых, газ внутри NTS может иметь такой состав, что некоторый компонент газа при некоторых физических условиях (например, изменении в температуре, давлении и/или потоке) конденсируется из газа как жидкостное загрязняющее вещество неожиданным образом.
В-третьих, проблема в работе компрессорной станции, которая формирует часть NTS, может вызывать утечку масла компрессора в газопровод.
Химические анализаторы, в текущее время используемые, чтобы отслеживать газ в отношении загрязняющих веществ в точках входа в NTS и внутри NTS, являются системами газовой фазы - то есть можно сказать, что они обнаруживают присутствие только газообразных компонентов. Следовательно, жидкостные загрязняющие вещества могут не обнаруживаться посредством анализаторов и/или присутствие жидкостных загрязняющих веществ внутри газа может вызывать повреждение анализаторов или требовать, чтобы анализаторы подвергались длительному техническому обслуживанию. Если анализатор повреждается или требует технического обслуживания, то это может выводить критические системы измерения из работы до тех пор, когда ремонт может быть выполнен. Если системы измерения выводятся из работы, в то время как часть NTS, охватываемая системами измерения, продолжает работать, то не будет способа различать, присутствуют ли загрязняющие вещества в этой части NTS.
Как описывалось ранее, неудача в обнаружении присутствия жидкостных загрязняющих веществ внутри газопровода системы NTS может давать результатом повреждение газового оборудования, которое формирует часть NTS, или повреждение оборудования крупных промышленных потребителей.
Отсюда следует, что, вследствие неспособности в текущее время обнаруживать присутствие жидкостных загрязняющих веществ, также не является возможным идентифицировать то, какие жидкостные загрязняющие вещества (если есть какие-либо) присутствуют внутри газопровода системы NTS.
Является целью настоящего изобретения устранить или ослабить проблемы, связанные с известными химическими анализаторами и/или способами обнаружения жидкостных загрязняющих веществ, описанные ли выше или иные. Является дополнительной целью настоящего изобретения обеспечить альтернативный химический анализатор и/или альтернативный датчик глубины жидкости.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения обеспечивается оптический химический анализатор, содержащий источник первой величины излучения, оптический модуль, сконфигурированный с возможностью направлять первую величину излучения так, что она падает на или проходит через цель в местоположении цели, при этом оптический модуль дополнительно сконфигурирован с возможностью принимать вторую величину излучения от цели и направлять вторую величину излучения в модуль преобразования Фурье пространственной интерференции (SIFT), при этом модуль SIFT включает в себя первый дисперсионный элемент и второй дисперсионный элемент, при этом модуль SIFT сконфигурирован так, что часть второй величины излучения принимается посредством первого дисперсионного элемента и интерферирует с частью второй величины излучения, принимаемой посредством второго дисперсионного элемента, чтобы формировать картину интерференции; при этом модуль SIFT дополнительно содержит детектор, сконфигурированный с возможностью захватывать изображение, по меньшей мере, части картины интерференции и вырабатывать сигнал детектора на основе захваченного изображения; и процессор, сконфигурированный с возможностью принимать сигнал детектора от детектора и выполнять преобразование Фурье над сигналом детектора, чтобы, тем самым, получать частотный спектр второй величины излучения.
Цель может располагаться в газе в среде высокого давления. Среда высокого давления может быть средой, в которой давление больше чем приблизительно 3 бара и меньше чем приблизительно 300 бар. В других вариантах осуществления давление может быть больше, чем приблизительно 300 бар. В некоторых вариантах осуществления давление может быть приблизительно 70 бар.
Цель может располагаться в сосуде, и по выбору, сосуд может быть газопроводом.
Оптический химический анализатор может быть сконфигурирован так, что располагается в отдаленном положении по отношению к местоположению цели, так что расстояние вдоль пути пучка каждой из первой и второй величин излучения между местоположением цели и любым оптическим компонентом оптического модуля, через который первая или вторая величины излучения проходят при использовании, больше, чем приблизительно 30 см. Это обеспечивает возможность использовать оптический химический анализатор, например, совместно с трубопроводами значительного диаметра, в которых часть оптического химического анализатора монтируется в верхней части трубопровода и местоположение цели находится в нижней части трубопровода.
Первая величина излучения может быть, по существу, полихроматической; и модуль SIFT может дополнительно содержать третий дисперсионный элемент и четвертый дисперсионный элемент, при этом модуль SIFT сконфигурирован так, что часть первой величины излучения принимается посредством третьего дисперсионного элемента и интерферирует с частью первой величины излучения, принимаемой посредством четвертого дисперсионного элемента, чтобы формировать вторую картину интерференции; при этом модуль SIFT дополнительно содержит второй детектор, сконфигурированный с возможностью захватывать изображение, по меньшей мере, части второй картины интерференции и вырабатывать второй сигнал детектора на основе изображения, захваченного посредством второго детектора; и процессор, сконфигурированный с возможностью принимать второй сигнал детектора от второго детектора и выполнять преобразование Фурье над вторым сигналом детектора, чтобы, тем самым, получать частотный спектр первой величины излучения, при этом процессор дополнительно сконфигурирован с возможностью сравнивать частотный спектр второй величины излучения с частотным спектром первой величины излучения, чтобы вырабатывать спектр поглощения.
Процессор может быть сконфигурирован с возможностью обрабатывать частотный спектр спектра поглощения и, тем самым, идентифицировать присутствие (или, в альтернативных вариантах осуществления отсутствие) вещества в цели и/или определять концентрацию вещества в цели.
Первая величина излучения может быть, по существу, монохроматической и, по существу, когерентной.
Процессор может быть сконфигурирован с возможностью обрабатывать частотный спектр второй величины излучения и, тем самым, идентифицировать присутствие вещества в цели и/или определять концентрацию вещества в цели.
Вторая величина излучения может быть излучением комбинационного рассеяния.
Оптический модуль может дополнительно содержать фильтр подавления, сконфигурированный с возможностью, по существу, не допускать, чтобы компонента второй величины излучения, которая имеет частоту, которая является, по существу, такой же, как частота первой величины излучения, достигала модуля SIFT.
Оптический модуль может включать в себя оптическое волокно, вдоль которого передаются первая и вторая величины излучения.
Модуль SIFT может содержать устройство разделения пучка, сконфигурированное с возможностью разделять вторую величину излучения на: часть второй величины излучения, которая принимается посредством первого дисперсионного элемента, и часть второй величины излучения, принимаемую посредством второго дисперсионного элемента.
Первый и второй дисперсионные элементы могут быть первой и второй дифракционными решетками соответственно и плоскость каждой из первой и второй дифракционных решеток может быть неперпендикулярной по отношению к оптической оси частей второй величины излучения, которые принимаются посредством первой и второй дифракционных решеток соответственно.
Детектор может содержать датчик CCD или CMOS.
Оптический химический анализатор может дополнительно содержать модуль обнаружения цели, при этом модуль обнаружения цели сконфигурирован с возможностью обнаруживать изменение в присутствии требуемого класса цели и выводить сигнал изменения цели, когда предварительно определенное изменение в присутствии требуемого класса цели обнаруживается.
Оптический химический анализатор может быть сконфигурирован так, что, по меньшей мере, часть оптического химического анализатора входит во включенное состояние из выключенного состояния на основе сигнала изменения цели, который выводится модулем обнаружения цели.
Упомянутая, по меньшей мере, часть оптического химического анализатора, которая входит во включенное состояние из выключенного состояния, может быть источником первой величины излучения и/или детектором.
Модуль обнаружения цели может содержать датчик глубины жидкости согласно второму аспекту настоящего изобретения, описанному ниже.
Контроллер датчика глубины жидкости может быть сконфигурирован с возможностью выводить сигнал изменения цели, когда мера глубины жидкости превосходит предварительно определенный порог.
Оптический химический анализатор может дополнительно содержать элемент направления излучения, при этом элемент направления излучения сконфигурирован с возможностью направлять вторую величину излучения в модуль SIFT, и направлять вторую величину излучения обнаружения в компоновку датчика.
Элемент направления излучения может содержать дихроичный фильтр.
Оптический модуль может быть сконфигурирован с возможностью направлять первую величину излучения так, что первая величина излучения проходит через свободное пространство непосредственно перед падением на цель, и при этом оптический модуль сконфигурирован так, что вторая величина излучения от цели проходит через свободное пространство до того, как вторая величина излучения обеспечивается в модуль SIFT.
Свободное пространство может содержать текучую среду.
Оптический химический анализатор может дополнительно содержать устройство формирования изображений.
Устройство формирования изображений может быть сконфигурировано с возможностью вырабатывать изображение, по меньшей мере, части цели.
Оптический химический анализатор может дополнительно содержать контроллер формирования изображений, при этом контроллер формирования изображений сконфигурирован так, что он избирательно питает энергией устройство формирования изображений на основе сигнала детектора.
Оптический модуль может быть сконфигурирован с возможностью направлять первую величину излучения через летучее вещество, так что первая величина излучения передает энергию в летучее вещество, и при этом источник первой величины излучения и оптический модуль сконфигурированы так, что полная энергия и/или плотность энергии, передаваемая в летучее вещество от первой величины излучения, меньше, чем величина воспламенения.
Местоположение цели может находиться в части фильтра (или компоновки фильтра), которая сконфигурирована с возможностью фильтровать (например, уменьшать величину загрязняющего вещества внутри) текучую среду, проходящую через фильтр. Местоположение цели может находиться на поверхности фильтрующего элемента, который формирует часть фильтра, при этом фильтрующий элемент сконфигурирован с возможностью уменьшать величину загрязняющего вещества внутри текучей среды, проходящей через фильтр.
Цель может быть текучей средой, и текучая среда может содержаться в сосуде. В других вариантах осуществления цель может быть порошком или пылью. Порошок или пыль могут содержаться в сосуде.
Оптический химический анализатор может быть сконфигурирован так, что располагается вне сосуда.
Сосуд может быть частью трубопровода. Трубопровод может быть газопроводом. Газопровод может проводить природный газ или сжатый воздух.
Сосуд может быть частью фильтра, который сконфигурирован с возможностью фильтровать текучую среду, проходящую через него.
Оптический химический анализатор может дополнительно содержать окно, которое сконфигурировано так, что смонтировано на сосуде, при этом окно является, по существу, прозрачным для первой и второй величин излучения, при этом источник сконфигурирован так, что, при использовании, первая и вторая величины излучения проходят через окно.
Окно может быть сформировано из сапфира. Сапфир может быть c-вырезанным сапфиром. Сапфир может паяться на месте.
Оптический химический анализатор может дополнительно содержать нагреватель, при этом нагреватель находится в тепловой связи с упомянутым окном и сконфигурирован с возможностью нагревать окно. Оптический химический анализатор может дополнительно содержать тепловой изолятор, который термически изолирует нагреватель от сосуда.
Оптический химический анализатор может дополнительно содержать продувочный канал, первый конец которого сконфигурирован так, что находится в гидродинамической связи с частью окна, которое находится в гидродинамической связи с текучей средой, содержащейся в сосуде, и второй конец которого находится в гидродинамической связи с внешней областью сосуда; при этом продувочный канал дополнительно содержит закрывающий элемент, который в нормальной, закрытой конфигурации, по существу, предотвращает поток текучей среды между первым и вторым концами продувочного канала, и который в открытой конфигурации делает возможным поток текучей среды между первым и вторым концами продувочного канала.
Согласно второму аспекту изобретения обеспечивается датчик глубины жидкости, подходящий для использования с трубопроводом текучей среды, при этом датчик глубины жидкости содержит источник излучения, вырабатывающий первую величину излучения обнаружения, при этом источник излучения сконфигурирован с возможностью, при использовании, направлять первую величину излучения обнаружения так, что она падает на жидкость в местоположении распознавания глубины; компоновку датчика, выполненную с возможностью принимать вторую величину излучения обнаружения, при этом вторая величина излучения обнаружения является частью первой величины излучения обнаружения, которая отражается жидкостью, при этом положение, в котором вторая величина излучения обнаружения падает на компоновку датчика, зависит от длины пути между источником излучения и поверхностью жидкости, при этом компоновка датчика дополнительно сконфигурирована с возможностью выводить сигнал датчика, показывающий положение, в котором вторая величина излучения обнаружения падает на компоновку датчика; и контроллер, сконфигурированный с возможностью принимать сигнал датчика и определять меру, показывающую глубину жидкости, на основе сигнала датчика.
Контроллер может быть сконфигурирован с возможностью определять меру, показывающую длину пути между источником излучения и поверхностью жидкости, на основе сигнала датчика.
Компоновка датчика может быть выполнена с возможностью принимать третью величину излучения обнаружения, при этом третья величина излучения обнаружения является частью первой величины излучения обнаружения, которая отражается второй поверхностью, при этом положение, в котором третья величина излучения обнаружения падает на компоновку датчика зависит от длины пути между источником излучения и второй поверхностью, при этом компоновка датчика дополнительно сконфигурирована с возможностью выводить сигнал датчика, показывающий положение, в котором третья величина излучения обнаружения падает на компоновку датчика.
Контроллер может быть сконфигурирован с возможностью определять меру, показывающую различие между длиной пути между источником излучения и поверхностью жидкости и длиной пути между источником излучения и второй поверхностью, на основе сигнала датчика.
Местоположение распознавания глубины может находиться в части фильтра (или компоновки фильтра), которая сконфигурирована с возможностью фильтровать (например, уменьшать величину загрязняющего вещества внутри) текучую среду, проходящую через фильтр. Местоположение распознавания глубины может быть на поверхности фильтрующего элемента, который формирует часть фильтра, при этом фильтрующий элемент сконфигурирован с возможностью уменьшать величину загрязняющего вещества внутри текучей среды, проходящей через фильтр.
Жидкость может содержаться в сосуде.
Датчик глубины жидкости может быть сконфигурирован так, что располагается вне сосуда.
Сосуд может быть частью трубопровода. Трубопровод может быть газопроводом. Газопровод может проводить природный газ или сжатый воздух.
Сосуд может быть частью фильтра, который сконфигурирован с возможностью фильтровать текучую среду, проходящую через него.
Датчик глубины жидкости может дополнительно содержать окно, которое сконфигурировано так, что смонтировано на сосуде, при этом окно является, по существу, прозрачным для первой и второй величин излучения обнаружения, при этом источник излучения сконфигурирован так, что, при использовании, первая и вторая величины излучения обнаружения проходят через окно.
Окно может быть сформировано из сапфира. Сапфир может быть c-вырезанным сапфиром. Сапфир может паяться на месте.
Датчик глубины жидкости может дополнительно содержать нагреватель, при этом нагреватель находится в тепловой связи с упомянутым окном и сконфигурирован с возможностью нагревать окно, при этом оптический химический анализатор дополнительно содержит тепловой изолятор, который термически изолирует нагреватель от сосуда.
Датчик глубины жидкости может дополнительно содержать продувочный канал, первый конец которого сконфигурирован так, что находится в гидродинамической связи с частью окна, которое находится в гидродинамической связи с текучей средой, содержащейся в сосуде, и второй конец которого находится в гидродинамической связи с внешней областью сосуда; при этом продувочный канал дополнительно содержит закрывающий элемент, который в нормальной, закрытой конфигурации, по существу, предотвращает поток текучей среды между первым и вторым концами продувочного канала, и который в открытой конфигурации делает возможным поток текучей среды между первым и вторым концами продувочного канала.
Вторая поверхность может быть поверхностью сосуда.
Датчик глубины жидкости может дополнительно содержать первый собирающий пучок элемент, сконфигурированный с возможностью собирать первую величину излучения в фокусе в фокусном положении, которое, по существу, совместно расположено с упомянутой жидкостью.
Датчик глубины жидкости может дополнительно содержать элемент расширения пучка, сконфигурированный с возможностью расширять первую величину излучения перед первым собирающим пучок элементом.
Датчик глубины жидкости может дополнительно содержать второй собирающий пучок элемент, сконфигурированный с возможностью собирать вторую величину излучения обнаружения в фокусе в фокусном положении, которое, по существу, совместно расположено с упомянутой компоновкой датчика.
Датчик глубины жидкости может дополнительно содержать элемент очищения от спеклов, при этом источник излучения сконфигурирован так, что первая величина излучения обнаружения падает на элемент очищения от спеклов, и при этом элемент очищения от спеклов сконфигурирован с возможностью уменьшать влияние спекла внутри первой величины излучения на сигнал датчика.
Элемент очищения от спеклов может включать в себя диффузор, сконфигурированный с возможностью вращаться и выполненный так, что, при использовании, первая величина излучения обнаружения падает на него.
Датчик глубины жидкости может дополнительно содержать опорный канал, при этом опорный канал содержит второй источник излучения, вырабатывающий четвертую величину излучения обнаружения, при этом второй источник излучения сконфигурирован с возможностью, при использовании, направлять четвертую величину излучения обнаружения так, что она падает на опорную поверхность; вторую компоновку датчика, выполненную с возможностью принимать пятую величину излучения обнаружения, при этом пятая величина излучения обнаружения является частью четвертой величины излучения обнаружения, которая отражается опорной поверхностью, при этом положение, в котором пятая величина излучения обнаружения падает на вторую компоновку датчика, зависит от длины пути между вторым источником излучения и опорной поверхностью, при этом вторая компоновка датчика дополнительно сконфигурирована с возможностью выводить сигнал датчика, показывающий положение, в котором пятая величина излучения обнаружения падает на вторую компоновку датчика; и при этом контроллер сконфигурирован с возможностью принимать сигнал датчика, показывающий положение, в котором пятая величина излучения обнаружения падает на вторую компоновку датчика, и определять меру, показывающую длину пути между вторым источником излучения и опорной поверхностью, на основе сигнала датчика, показывающего положение, в котором пятая величина излучения обнаружения падает на вторую компоновку датчика.
Второй источник излучения и источник излучения, вырабатывающий первую величину излучения обнаружения, могут быть одним и тем же.
Контроллер может быть сконфигурирован с возможностью вычислять скорректированную меру, показывающую глубину жидкости, на основе сигнала датчика, показывающего положение, в котором вторая величина излучения обнаружения падает на компоновку датчика, и сигнала датчика, показывающего положение, в котором пятая величина излучения обнаружения падает на вторую компоновку датчика.
Датчик глубины жидкости может дополнительно содержать устройство формирования изображений.
Устройство формирования изображений может быть сконфигурировано с возможностью вырабатывать изображение местоположения распознавания глубины.
Датчик глубины жидкости дополнительно содержит контроллер формирования изображений, при этом контроллер формирования изображений сконфигурирован так, что он избирательно питает энергией устройство формирования изображений на основе сигнала датчика.
Источник излучения может быть сконфигурирован с возможностью направлять первую величину излучения обнаружения через летучее вещество, при этом первая величина излучения обнаружения передает энергию в летучее вещество, и при этом источник излучения сконфигурирован так, что полная энергия и/или плотность энергии, передаваемая в летучее вещество от первой величины излучения обнаружения, меньше, чем величина воспламенения.
Жидкость может содержать пыль или порошок, или жидкость может быть вместо пыли или порошка.
Оптический химический анализатор согласно первому аспекту изобретения или датчик глубины жидкости согласно второму аспекту изобретения может дополнительно содержать модуль обнаружения аэрозоля, при этом модуль обнаружения аэрозоля включает в себя первый датчик интенсивности, сконфигурированный с возможностью измерять интенсивность величины излучения, которая направляется на текучую среду, перед тем, как она падает на текучую среду, второй датчик интенсивности, сконфигурированный с возможностью измерять интенсивность величины излучения, которая является излучением, которое рассеивается обратно текучей средой, и процессор, сконфигурированный с возможностью сравнивать интенсивность, измеренную посредством первого датчика интенсивности, и интенсивность, измеренную посредством второго датчика интенсивности, чтобы определять меру, показывающую количество аэрозоля внутри текучей среды.
Величина излучения, которая направляется на текучую среду, может быть первой величиной излучения. Величина излучения, которая направляется на текучую среду, может быть первой величиной излучения обнаружения.
Согласно третьему аспекту изобретения обеспечивается способ анализа цели с использованием оптического химического анализатора, при этом оптический химический анализатор содержит источник излучения; оптический модуль; процессор и модуль преобразования Фурье пространственной интерференции (SIFT), включающий в себя первый и второй дисперсионные элементы и детектор; при этом способ содержит выработку источником излучения первой величины излучения; направление оптическим модулем первой величины излучения так, что она падает на или направляется через цель в местоположении цели; прием оптическим модулем второй величины излучения от цели; направление оптическим модулем второй величины излучения в модуль SIFT; прием модулем SIFT второй величины излучения; прием первым дисперсионным элементом первой части второй величины излучения; прием вторым дисперсионным элементом второй части второй величины излучения; при этом первая часть второй величины излучения, принимаемая посредством первого дисперсионного элемента, интерферирует со второй частью второй величины излучения, принимаемой посредством второго дисперсионного элемента, чтобы формировать картину интерференции; захват детектором изображения, по меньшей мере, части картины интерференции; выработку детектором сигнала детектора на основе захваченного изображения; прием процессором сигнала детектора от детектора; и выполнение процессором преобразования Фурье над сигналом детектора, чтобы, тем самым, получать частотный спектр второй величины излучения.
Цель может включать в себя жидкостные компоненты в трубопроводе или сосуде. Трубопровод может быть газопроводом. Газопровод может проводить природный газ или сжатый воздух.
Цель может включать в себя газовые компоненты в трубопроводе или сосуде. Трубопровод может быть газопроводом. Газопровод может проводить природный газ или сжатый воздух.
Согласно четвертому аспекту изобретения обеспечивается способ определения меры, показывающей глубину жидкости с использованием датчика глубины жидкости, подходящего для использования с трубопроводом текучей среды, при этом датчик глубины жидкости содержит источник излучения; компоновку датчика; и контроллер; при этом способ содержит выработку источником излучения первой величины излучения обнаружения, направление источником излучения первой величины излучения обнаружения так, что она падает на жидкость в местоположении распознавания глубины; прием компоновкой датчика второй величины излучения обнаружения, при этом вторая величина излучения обнаружения является частью первой величины излучения обнаружения, которая отражается жидкостью, при этом положение, в котором вторая величина излучения обнаружения падает на компоновку датчика, зависит от длины пути между источником излучения и поверхностью жидкости; вывод компоновкой датчика сигнала датчика, показывающего положение, в котором вторая величина излучения обнаружения падает на компоновку датчика; и прием контроллером сигнала датчика и определение меры, показывающей глубину жидкости, на основе сигнала датчика.
Согласно пятому аспекту изобретения обеспечивается спектрометр, содержащий оптическое волокно, первый оптический фильтр, расположенный на первом конце оптического волокна, и второй оптический фильтр, расположенный на втором конце оптического волокна, при этом первый оптический фильтр выбирается из группы, состоящей из оптического полосно-пропускающего фильтра, оптического полосно-заграждающего фильтра и оптического ограничивающего фильтра; и при этом второй оптический фильтр выбирается из группы, состоящей из оптического полосно-пропускающего фильтра, оптического полосно-заграждающего фильтра и оптического ограничивающего фильтра.
Первый и второй оптические фильтры могут оба быть ограничивающими фильтрами. Первый и второй оптические фильтры могут оба быть пропускающими длинные волны фильтрами или могут оба быть пропускающими короткие волны фильтрами.
Первый и или второй оптический фильтр может располагаться смежно с их соответствующим концом оптического волокна. В этом случае, излучение может не проходить через другой оптический компонент, когда проходит между первым оптическим фильтром и первым концом оптического фильтра. Подобным образом, излучение может не проходить через другой оптический компонент, когда проходит между вторым оптическим фильтром и вторым концом оптического фильтра.
Первый и второй оптические фильтры могут быть сконфигурированы с возможностью принимать излучение и ориентированы так, что оптическая ось каждого из первого и второго оптических фильтров является непараллельной по отношению к оптической оси принимаемого излучения.
Спектрометр может быть спектрометром комбинационного рассеяния, включающим в себя источник излучения, который сконфигурирован с возможностью вырабатывать первую величину комбинационного возбуждающего излучения первой длины волны, которая может возбуждать комбинационное рассеяние в образце, и первый и второй оптические фильтры могут оба быть пропускающими длинные волны фильтрами, которые имеют длину волны отсечения, которая больше, чем первая длина волны.
Согласно шестому аспекту изобретения обеспечивается оптическая компоновка для передачи излучения, при этом оптическая компоновка содержит оптическое волокно, первый оптический фильтр, расположенный на первом конце оптического волокна, и второй оптический фильтр, расположенный на втором конце оптического волокна, при этом первый оптический фильтр выбирается из группы, состоящей из оптического полосно-пропускающего фильтра, оптического полосно-заграждающего фильтра и оптического ограничивающего фильтра; и при этом второй оптический фильтр выбирается из группы состоящей из оптического полосно-пропускающего фильтра, оптического полосно-заграждающего фильтра и оптического ограничивающего фильтра.
Согласно шестому аспекту оптическая компоновка не должна формировать часть спектрометра, и может использоваться в любом подходящем применении, например, где требуется подавлять любое нежелательное излучение излучения флуоресценции, вырабатываемое оптическим волокном.
Первый и или второй оптический фильтр может располагаться смежно с их соответствующим концом оптического волокна. В этом случае, излучение может не проходить через другой оптический компонент, когда проходит между первым оптическим фильтром и первым концом оптического фильтра. Подобным образом, излучение может не проходить через другой оптический компонент, когда проходит между вторым оптическим фильтром и вторым концом оптического фильтра.
Первый и второй оптические фильтры могут быть сконфигурированы с возможностью принимать излучение и ориентированы так, что оптическая ось каждого из первого и второго оптических фильтров является непараллельной по отношению к оптической оси принимаемого излучения.
Первый и второй оптические фильтры могут быть сконфигурированы с возможностью уменьшать величину флуоресцентного излучения, которое передается оптической компоновкой. Например, в некоторых вариантах осуществления упомянутое флуоресцентное излучение может вырабатываться внутри оптического волокна.
Согласно седьмому аспекту изобретения обеспечивается сборка соединителя, сконфигурированная с возможностью соединяться с содержащим текучую среду сосудом, при этом сборка соединителя содержит окно, которое сконфигурировано так, что является, по существу, прозрачным для части излучения распознавания и, тем самым, делает возможным проход части излучения распознавания через него, нагреватель, при этом нагреватель находится в тепловой связи с упомянутым окном и сконфигурирован с возможностью нагревать окно, продувочный канал, первый конец которого сконфигурирован так, что находится в гидродинамической связи с частью окна, которое находится в гидродинамической связи с текучей средой, содержащейся в сосуде, и второй конец которого сконфигурирован так, что находится в гидродинамической связи с внешней областью сосуда; при этом продувочный канал дополнительно содержит закрывающий элемент, который в нормальной, закрытой конфигурации, по существу, предотвращает поток текучей среды между первым и вторым концами продувочного канала, и который в открытой конфигурации делает возможным поток текучей среды между первым и вторым концами продувочного канала. Комбинация нагревателя и продувочного канала может действовать, чтобы, по существу, предотвращать формирование на окне нежелательной конденсации. Нагреватель может использоваться, чтобы поднимать температуру окна, и продувочный канал может использоваться, чтобы удалять относительно мокрый, следовательно, вызывающий конденсацию, газ из смежной области с окном.
Окно может быть сформировано из материала, который является относительно термически проводящим, так что тепло, генерируемое посредством нагревателя, проводится в окно.
Сборка соединителя может быть сконфигурирована так, что часть излучения распознавания проходит через окно из местоположения, внутреннего для сосуда, в местоположение, внешнее для сосуда. Сборка соединителя также может быть сконфигурирована так, что дополнительная часть излучения распознавания проходит через окно из местоположения, внешнее для сосуда, в местоположение, внутреннее для сосуда.
Излучение распознавания может формировать часть устройства распознавания. Например, сборка соединителя может формировать часть компоновки распознавания, при этом излучение распознавания вырабатывается посредством и/или принимается посредством устройства распознавания. Устройство распознавания может быть спектрометром или любым другим подходящим оптическим химическим анализатором.
Сборка соединителя может дополнительно содержать тепловой изолятор, сконфигурированный с возможностью термически изолировать нагреватель от сосуда, с которым сборка соединителя соединена. Тепловой изолятор минимизирует величину тепла, которая передается от нагревателя к сосуду. Это может помогать минимизировать конденсацию, которая формируется на окне.
Сосуд может быть частью находящегося под давлением трубопровода. Трубопровод может быть газопроводом. Газопровод может проводить природный газ или сжатый воздух.
Окно может содержать сапфир, и по выбору, сапфир может быть c-вырезанным сапфиром. Было определено, что сапфир, и, в частности, c-вырезанный сапфир, имеет очень низкие характеристики флуоресценции. То есть можно сказать сапфир, и, в частности, c-вырезанный сапфир, не вырабатывает значительной величины флуоресцентного излучения. Минимизация флуоресцентного излучения может быть предпочтительной в некоторых применениях, например, в применениях, в которых флуоресцентное излучение может быть нежелательным. Одним таким примером является, если такое излучение, проходящее через окно, проходит к оптическому химическому анализатору, так как флуоресцентное излучение может вести к выработке оптическим химическим анализатором неточных результатов.
Сборка соединителя может быть сконфигурирована так, что нормаль к поверхности окна является непараллельной к направлению распространения части излучения распознавания, при этом поверхность является поверхностью, через которую проходит часть излучения распознавания. Это может помогать не допускать, чтобы излучение, которое отражается поверхностью, перемещалось в направлении, которое является антипараллельным к излучению, которое падает на поверхность.
Согласно восьмому аспекту изобретения обеспечивается оптический химический анализатор, содержащий модуль обнаружения цели, при этом модуль обнаружения цели сконфигурирован с возможностью обнаруживать изменение в присутствии требуемого класса цели и выводить сигнал изменения цели, когда предварительно определенное изменение в присутствии требуемого класса цели обнаруживается; и при этом оптический химический анализатор сконфигурирован так, что, по меньшей мере, часть оптического химического анализатора входит во включенное состояние из выключенного состояния на основе сигнала изменения цели, который выводится модулем обнаружения цели. Это может не допускать, чтобы часть оптического химического анализатора включалась, когда это является ненужным. Это может продлевать рабочий срок службы части оптического химического анализатора.
Упомянутая, по меньшей мере, часть оптического химического анализатора, которая входит во включенное состояние из выключенного состояния, может быть детектором и/или источником излучения, сконфигурированного с возможностью падать на цель для того, чтобы оптический анализатор выводил сигнал как функцию химического состава цели.
Модуль обнаружения цели может содержать датчик глубины жидкости согласно второму аспекту настоящего изобретения, описанному выше.
Контроллер датчика глубины жидкости может быть сконфигурирован с возможностью выводить сигнал изменения цели, когда мера глубины жидкости превосходит предварительно определенный порог.
Теперь будут описываться конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, только в качестве примера, со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг. 1 показывает схематический вид в поперечном разрезе через сосуд в форме газопровода;
Фиг. 2 показывает схематический вид в перспективе части одного варианта осуществления настоящего изобретения, смонтированной на сосуде;
Фиг. 3 показывает схематическое поперечное сечение через часть одного варианта осуществления настоящего изобретения, смонтированную на ответвительной трубе сосуда;
Фиг. 4 показывает схематическое поперечное сечение через часть другого варианта осуществления настоящего изобретения, смонтированную на ответвительной трубе сосуда;
Фиг.5 показывает схематический вид одного варианта осуществления изобретения;
Фиг. 6 показывает схематический вид части датчика глубины жидкости в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 7 показывает схематический вид части датчика глубины жидкости, показанной на Фиг. 6, при этом жидкость показана имеющей несколько разных глубин;
Фиг. 8 показывает схематический вид части датчика глубины жидкости, показанной на Фиг. 6 и 7;
Фиг. 9 показывает схематический вид компоновки линз, которая может формировать часть датчика глубины жидкости, показанную на Фиг. 6 по 8;
Фиг. 10 показывает схематический вид части датчика глубины жидкости, показанной на Фиг. 6 по 9;
Фиг. 11 показывает схематический вид части оптического химического анализатора в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 12 показывает схематический вид компоновки линз, которая может формировать часть оптического химического анализатора, как показано на Фиг. 11;
Фиг. 13 показывает схематический вид части оптического химического анализатора в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 13a показывает схематический вид части оптического химического анализатора и/или датчика глубины жидкости в соответствии с одним дополнительным вариантом осуществления настоящего изобретения; и
Фиг. 14 показывает график изменения в измеренной интенсивности (I) по отношению к массе аэрозольных частиц (M) для нескольких диаметров аэрозольных частиц, при этом интенсивность измеряется посредством модуля обнаружения аэрозоля, который может формировать часть одного варианта осуществления настоящего изобретения.
Эквивалентные признаки на фигурах имеют одни и те же ссылочные позиции.
Как описывалось ранее, присутствие загрязняющих веществ внутри газопроводов является проблемой в течение некоторого времени. В частности, присутствие жидкостных загрязняющих веществ внутри газопроводов может вызывать повреждение газового оборудования.
Известные анализаторы для обнаружения присутствия загрязняющих веществ внутри газопроводов могут не быть способными обнаруживать жидкостные загрязняющие вещества и в некоторых случаях могут оказываться бездействующими или требовать технического обслуживания, если они подвергаются воздействию жидкостных загрязняющих веществ.
Фиг. 1 показывает схематическое поперечное сечение газопровода 10, который может формировать часть национальной газотранспортной системы (NTS) для транспортировки газа. Газ может быть природным газом. Газопровод 10 включает в себя область, содержащую газ 12, и область, которая содержит жидкостное загрязняющее вещество 14. Газ внутри сосуда (в этом случае газопровода 10) находится под повышенным давлением по отношению к атмосферному давлению. Например, газ может иметь давление выше приблизительно 2 атмосферы. В некоторых случаях газ может иметь давление вплоть до приблизительно 100 атмосфер. Можно видеть, что, если жидкостное загрязняющее вещество 14 присутствует в газопроводе 10 жидкостное загрязняющее вещество собирается в самой низкой точке газопровода 10, так что формирует слой жидкостного загрязняющего вещества.
Фиг. 2 показывает часть оптического химического анализатора и часть датчика глубины жидкости, которые обе содержатся внутри натрубного блока 16, который смонтирован через ответвительную трубу 18 на газопроводе 10.
Фиг. 3 и 4 показывают схематические виды в поперечном разрезе двух разных компоновок, которые обеспечивают возможность монтировать натрубный блок 16 на ответвительной трубе 18, которая соединена с газопроводом 10 (не показан на Фиг. 3 и 4).
Каждый вариант осуществления показывает часть корпуса 20 натрубного блока 16.
В показанном варианте осуществления на Фиг. 3 корпус 20 включает в себя выступающую часть 22. Выступающая часть 22 включает в себя резьбу 24. Фланцевый элемент 26 ввинчен в выступающую часть 22 корпуса 20 посредством резьбы 28, которая соответствует резьбе 24 выступающей части 22. Фланцевый элемент 26 включает в себя смотровое стекло 30, которое также может упоминаться как окно. В этом случае смотровое стекло 30 вплавлено в опорную часть фланцевого элемента 26. Любой подходящий материал может использоваться для смотрового стекла 30 и опорной части фланцевого элемента 26. В одном варианте осуществления смотровое стекло 30 сформировано из боросиликата и опорная часть фланцевого элемента 26 сформирована из металла, такого как сталь.
Вплавление смотрового стекла 30 в опорную часть фланцевого элемента 26 обеспечивает то, что не имеется, по существу, никакого пути утечки газа между смотровым стеклом 30 и опорной частью фланцевого элемента 26. Фланцевый элемент 26 прикрепляется к фланцевой части 32 ответвительной трубы 18. Прикрепление фланцевого элемента 26 к фланцевой части 32 ответвительной трубы 18 может достигаться любым стандартным способом. Например, фиксаторы, такие как болты, могут проходить через отверстия 34 в обоих фланцевом элементе 26 и фланцевой части 32 ответвительной трубы 18. Фланцевый элемент 26 прикрепляется к фланцевой части 32 ответвительной трубы 18 так, что не имеется, по существу, никакой утечки газа между фланцевым элементом 26 и ответвительной трубой 18.
Вариант осуществления, показанный на Фиг. 4, отличается от того, что показан на Фиг. 3, в том, что фланцевый элемент 26a смонтирован на корпусе 20 посредством сварки (в противоположность резьбовому соединению, как показано на Фиг. 3). Однако следует принять во внимание, что фланцевый элемент 26a может монтироваться на корпусе 20 любым подходящим способом. Например, в некоторых вариантах осуществления, фланцевый элемент может быть объединенным с корпусом. В дополнение, вместо фланцевого элемента 26a, включающего в себя смотровое стекло, которое вплавляется во фланцевый элемент (как, это показано на Фиг. 3), в показанном варианте осуществления на Фиг. 4 смотровое стекло 30a размещено между фланцевым элементом 26a и фланцевой частью 32 ответвительной трубы 18. Смотровое стекло 30a размещается между фланцевым элементом 26a и фланцевой частью 32 так, что не имеется, по существу, никакого пути утечки газа между смотровым стеклом 30a и фланцевым элементом 26a, и так, что не имеется, по существу, никакого пути утечки газа между смотровым стеклом 30a и фланцевой частью 32 ответвительной трубы 18. Смотровое стекло 30a может делаться из любого подходящего материала. В одном примере, смотровое стекло 30a сформировано из сапфира.
Сапфир может использоваться в качестве материала для смотрового стекла/окна в любом варианте осуществления датчика глубины жидкости и/или оптического химического анализатора. Сапфир может быть c-вырезанным сапфиром. Смотровое стекло/окно может удерживаться на месте (например, прикрепляться к фланцевому элементу) посредством любого подходящего способа, включая сюда склеивание или пайку.
В некоторых вариантах осуществления является предпочтительным выбирать материал, из которого смотровое стекло 30, 30a формируется, на основе его характеристик электромагнитного пропускания и характеристик флуоресценции. Может быть предпочтительным для смотрового стекла обеспечивать возможность электромагнитному излучению требуемой длины волны или диапазона длин волн проходить через него, по существу, без затухания. В дополнение, может быть желательным, чтобы смотровое стекло демонстрировало минимальную флуоресценцию при конкретной длине волны или диапазоне длин волн, чтобы любое флуоресцентное излучение не влияло на измеренное излучение, которое проходит через смотровое стекло.
Ответвительная труба, к которой прикрепляется натрубный блок, может быть ответвительной трубой, которая уже соединена с газопроводом. Альтернативно, ответвительная труба может соединяться с газопроводом с использованием любого подходящего способа. Например, ответвительная труба может подсоединяться без прекращения эксплуатации к газопроводу, как хорошо известно в данной области техники.
Следует принять во внимание, что в других вариантах осуществления часть оптического химического анализатора и/или датчика глубины жидкости может монтироваться на сосуде (например, газопроводе) любым подходящим способом.
Фиг. 5 показывает схематическое представление оптического химического анализатора и датчика глубины жидкости в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Оптический химический анализатор и датчик глубины жидкости включает в себя натрубный блок 16 (как описывалось ранее) и внетрубный блок 40.
В этом варианте осуществления, натрубный блок 16 включает в себя различные оптические средства, которые формируют часть оптического химического анализатора и которые представлены схематически посредством прямоугольника 42. Натрубный блок 16 также включает в себя компоненты датчика глубины жидкости, которые проиллюстрированы схематически посредством прямоугольника 44.
В этом варианте осуществления внетрубный блок 40 включает в себя источник 46 первой величины излучения, который формирует часть оптического химического анализатора. Внетрубный блок 40 также включает в себя детектор 48, который формирует часть оптического химического анализатора. Источник 46 первой величины излучения и детектор 48 оптически связаны с компонентами оптического химического анализатора 42, которые формируют часть внетрубного блока 16, посредством, по меньшей мере, одного оптического волокна. В этом случае, источник 46 излучения и детектор 48 оптически связаны с компонентами 42 оптического химического анализатора, которые формируют часть внетрубного блока 16, посредством пары оптических волокон, представленных посредством двух стрелок 50 на Фигуре. В некоторых вариантах осуществления источник 46 излучения и детектор 48 могут быть оптически связаны с компонентами 42 оптического химического анализатора, которые формируют часть внетрубного блока 16, посредством, по меньшей мере, одного оптического волокна. В показанном варианте осуществления источник 46 излучения и детектор 48 оптически связаны с компонентами 42 оптического химического анализатора, которые формируют часть внетрубного блока 16, посредством двух оптических волокон: первое оптическое волокно проводит излучение, вырабатываемое посредством источника излучения, во внетрубный блок, и второе оптическое волокно проводит излучение из газопровода, через компоненты 42 оптического химического анализатора, которые формируют часть внетрубного блока 16, в детектор.
Источник 46 излучения и детектор 48 также связаны с микропроцессором 52. Может использоваться любой подходящий микропроцессор. Микропроцессор может быть выполнен с возможностью выполнения операций обработки и/или операций контроллера. Микропроцессор 52 также соединен с компонентами датчика 44 глубины жидкости, расположенными во внетрубном блоке 16, посредством соединения 62. Может использоваться любое подходящее соединение, чтобы связывать компоненты с микропроцессором. Например, соединение может включать в себя соединение USB.
Внетрубный блок 40 также включает в себя блок источника питания (PSU) 54. PSU 54 принимает энергию через линию 56 питания энергией и распределяет энергию компонентам внутри натрубного блока 16 и внетрубного блока 40 посредством соединений 58 и 60 соответственно. В альтернативных вариантах осуществления каждый из натрубного блока и внетрубного блоков может обеспечиваться энергией отдельным образом.
В показанном варианте осуществления на Фиг. 5 микроконтроллер 52 соединен посредством соединения 64 с удаленным терминалом 66. В некоторых вариантах осуществления соединение 64 может быть соединением типа Ethernet, хотя может использоваться любое подходящее соединение. Удаленный терминал может быть персональным компьютером. Соединение 64 между удаленным терминалом 66 и микропроцессором 52 обеспечивает возможность удаленному терминалу извлекать данные из микропроцессора 52 и/или удаленно управлять каким-либо аспектом работы микропроцессора 52. Например, соединение 64 может обеспечивать возможность удаленному терминалу 66 отслеживать данные, вырабатываемые посредством оптического химического анализатора, в отношении присутствия или в иных отношениях конкретных химикатов внутри цели; и/или отслеживать данные, вырабатываемые посредством датчика глубины жидкости, который показывает глубину жидкости в местоположении цели.
Работа различных компонентов оптического химического анализатора и датчика глубины жидкости, упомянутых выше, описывается более подробно ниже.
Фиг. 6 показывает схематическое представление датчика глубины жидкости, который может формировать часть одного варианта осуществления изобретения. Датчик глубины жидкости включает в себя источник 70 излучения. Источник 70 излучения вырабатывает первую величину излучения 72 обнаружения. В одном примере источник излучения может быть диодным лазером с выходной мощностью, равной 10 мВт, и первая величина излучения обнаружения может быть электромагнитным излучением, которое имеет длину волны, равную 633 нм. Источник излучения сконфигурирован с возможностью, при использовании, направлять первую величину излучения 72 обнаружения так, что она падает на жидкость 74 в местоположении 76 распознавания глубины жидкости. Источник 70 излучения может быть любым подходящим источником излучения, например, любым подходящим типом лазера.
В некоторых вариантах осуществления жидкость 74 содержится в сосуде, например, части трубопровода, и датчик глубины жидкости располагается вне сосуда (например, вне части трубопровода). Например, часть датчика глубины жидкости может располагаться, как показано на Фиг. 2, в натрубном блоке 16, который смонтирован на газопроводе 10 через ответвительную трубу 18, и часть датчика глубины жидкости может располагаться во внетрубном блоке. В показанном варианте осуществления, первая величина излучения 72 обнаружения, вырабатываемая посредством источника 70 излучения, проходит через окно (как, например, окна, показанные на Фиг. 3 и 4), чтобы проходить из внешней области сосуда (например, натрубного блока 16) в сосуд (например, трубопровод 10) через окно.
В нормальном рабочем состоянии сосуда (например, газопровода) не имеется, по существу, никакой жидкости в сосуде. В состоянии сосуда с присутствием жидкости, жидкость, например, по меньшей мере, одно жидкостное загрязняющее вещество, может присутствовать внутри сосуда, например, в нижней части газопровода, как показано на Фиг. 6.
Часть первой величины излучения 72 обнаружения отражается жидкостью 74 (в этом случае поверхностью 78 жидкости 74). Часть первой величины излучения обнаружения, которая отражается жидкостью 74, может упоминаться как вторая величина излучения обнаружения. Вторая величина излучения обнаружения показана посредством стрелки 80. Вторая величина излучения проходит через различные оптические средства, показанные схематически посредством 82, и падает на компоновку 84 датчика, которая выполнена с возможностью принимать вторую величину излучения 80 обнаружения.
В некоторых вариантах осуществления компоновка датчика может включать в себя детектор типа CCD или CMOS. В некоторых вариантах осуществления шаг (то есть расстояние между смежными пикселями датчика) может быть приблизительно от 3 мкм до 5 мкм. Примером подходящего CCD является CCD с шагом, равным 5 мкм, и размерами, равными 1280 на 1024 пикселей.
Положение, в котором вторая величина излучения 80 обнаружения падает на компоновку 84 датчика, зависит от длины 86 пути между источником 70 излучения и поверхностью 78 жидкости 74. Положение, в котором вторая величина излучения 80 обнаружения падает на компоновку 84 датчика, также зависит от длины пути между компоновкой 84 датчика и поверхностью 78 жидкости 74. Следовательно, положение, в котором вторая величина излучения обнаружения падает на компоновку датчика, зависит от глубины жидкости в местоположении распознавания глубины. Это описывается более подробно со ссылкой на Фиг. 7.
1
2
3
Фиг. 7 показывает схематический вид части сосуда 88. Как описывалось ранее сосуд 88 может поддерживать жидкость, например, жидкостное загрязняющее вещество, когда сосуд находится в состоянии присутствия жидкости. На фигуре показаны три разных потенциальных поверхности жидкости. Они помечены как 78, 78a и 78b. Глубина жидкости, когда жидкость имеет поверхность, показанную посредством 78, 78a или 78b, помечена на фигуре как d, d и d соответственно. В зависимости от того, является ли поверхность жидкости такой, как показано посредством 78, 78a или 78b, путь второй величины излучения обнаружения, которая отражается поверхностью жидкости, будет различным. Разные пути второй величины излучения обнаружения, если первая величина излучения обнаружения отражается поверхностью 78, 78a или 78b, показаны как 80, 80a и 80b соответственно. В дополнение, путь второй величины излучения обнаружения, которая отражается поверхностью сосуда 88, показан посредством 80c.
Пути второй величины излучения обнаружения 80, 80a, 80b и 80c затем направляются посредством оптических средств 82 и падают на компоновку 84 датчика. Положения, в которых вторые величины излучения 80, 80a, 80b и 80c падают на компоновку 84 датчика, показаны посредством 90, 90a, 90b и 90c соответственно. Следовательно, можно видеть, что положение, в котором вторая величина излучения обнаружения падает на компоновку 84 датчика, зависит от глубины жидкости. Отсюда следует, что положение, в котором вторая величина излучения обнаружения падает на компоновку датчика, зависит от длины пути между источником излучения и поверхностью жидкости, и также от длины пути между компоновкой датчика и поверхностью жидкости. Это из-за того, что длина пути между источником излучения или компоновкой датчика и поверхностью жидкости зависит от глубины жидкости.
Например, со ссылкой на Фиг. 7, изменение в глубине d жидкости дает результатом изменение в длине пути l между источником излучения и поверхностью жидкости, которая дается формулой
(1)
где θ является углом, лежащим между путем первой величины излучения 72 обнаружения и нормалью 92 к поверхности жидкости.
Компоновка 84 датчика может дополнительно быть сконфигурирована с возможностью выводить сигнал датчика (показан схематически как 94), который показывает положение, в котором вторая величина излучения обнаружения падает на компоновку датчика. Датчик глубины жидкости может дополнительно включать в себя микропроцессор 52, который сконфигурирован с возможностью принимать сигнал 94 датчика и определять меру, показывающую глубину жидкости, на основе сигнала 94 датчика.
В некоторых вариантах осуществления датчик глубины жидкости может калиброваться. Датчик глубины жидкости может калиброваться любым подходящим способом. Например, первая величина излучения 72 обнаружения, вырабатываемая посредством источника 70 излучения, может направляться в местоположение 76 распознавания глубины, когда, по существу, никакая жидкость не присутствует в местоположении 76 распознавания глубины. В этом случае, первая величина излучения обнаружения отражается поверхностью сосуда 88 в местоположении распознавания глубины. Со ссылкой на Фиг. 7, часть первой величины излучения 72 обнаружения, которая отражается поверхностью сосуда 88, перемещается вдоль пути 80c и падает на компоновку датчика в положении 90c.
Компоновка 84 датчика выводит сигнал 94 датчика, который показывает положение 90c, в котором излучение падает на компоновку датчика. Сигнал датчика обеспечивается в микропроцессор 52 и контроллер может сохранять этот сигнал датчика, как показывающий, что нет присутствия никакой жидкости внутри сосуда 88 в местоположении 76 распознавания глубины.
Впоследствии, если жидкость (например, жидкостное загрязняющее вещество) будет располагаться в местоположении 76 распознавания глубины, то положение второй величины излучения обнаружения, принимаемой компоновкой 84 датчика, будет изменяться от положения излучения, отраженного поверхностью сосуда. Это дает результатом изменение в сигнале датчика, выводимом компоновкой датчика. Контроллер может определять, что изменение в принятом сигнале датчика от откалиброванного сохраненного сигнала датчика (когда первая величина излучения обнаружения отражается поверхностью сосуда) показывает жидкость (конкретной глубины), которая присутствует в местоположении 76 распознавания глубины.
В некоторых вариантах осуществления датчик глубины жидкости может быть сконфигурирован так, что контроллер выводит сигнал, который показывает только присутствие (или иное) жидкости в местоположении распознавания глубины. В других вариантах осуществления датчик глубины жидкости может быть сконфигурирован так, что он может определять меру, показывающую фактическую глубину жидкости в местоположении распознавания жидкости. В обоих из этих примеров контроллер определяет меру, показывающую глубину жидкости, на основе сигнала датчика. В варианте осуществления, в котором контроллер определяет присутствие или иное в отношении жидкости в местоположении распознавания глубины, контроллер либо определяет то, что глубина жидкости равняется, по существу, нулю (то есть никакая жидкость не присутствует в местоположении распознавания глубины), или определяет то, что глубина жидкости является ненулевой (то есть что жидкость присутствует в местоположении распознавания глубины). Тогда как другой вариант осуществления может включать в себя контроллер, который выполнен с возможностью определения меры фактической глубины жидкости в местоположении распознавания глубины.
В некоторых вариантах осуществления, как описывалось ранее, контроллер определяет меру, показывающую глубину жидкости в местоположении распознавания глубины, на основе сигнала датчика, выводимого компоновкой датчика, который зависит от положения, в котором вторая величина излучения обнаружения принимается компоновкой датчика. В некоторых вариантах осуществления контроллер определяет положение, в котором вторая величина излучения обнаружения падает на компоновку датчика, с использованием алгоритмов подгонки пиков, чтобы определять центральную точку изображенной второй величины излучения, которая падает на компоновку датчика. Например, в случае, когда компоновка датчика включает в себя CCD, контроллер может отслеживать величину второй величины излучения, которая падает на каждый пиксель из CCD, и затем применять алгоритмы подгонки пиков, которые хорошо известны специалисту в данной области техники, чтобы определять положение центра второй величины излучения, которая падает на CCD, на основе величины второй величины излучения, которая падает на каждый пиксель.
Как показано на Фиг. 8, в одном конкретном варианте осуществления, в котором датчик глубины жидкости смонтирован на сосуде в форме трубопровода (как показано на Фиг. 2), расстояние d между окном между натрубным блоком и местоположением распознавания глубины в нижней части газопровода может быть приблизительно 1,8 м. Диаметр окна в этом варианте осуществления может быть приблизительно 76 мм.
Максимальный угол, который может быть между первой величиной излучения 72 обнаружения и нормалью 94 к поверхности 78 жидкости 74, определяется как γ. Угол γ является максимальным углом, который первая величина излучения 72 обнаружения может образовывать с нормалью 94 к поверхности сосуда 88, когда первая величина излучения обнаружения может направляться от источника излучения через окно в местоположение распознавания глубины, и вторая величина излучения, которая отражается от поверхности сосуда 88, может проходить через окно и приниматься компоновкой датчика. Если ширина окна равняется , максимальный угол γ дается посредством
(2)
где γ задается в радианах.
1
Если требуется обнаружить глубину жидкости d, равную 0,1 мм, то изменение в длине пути Δ первой величины излучения обнаружения перед тем, как она отражается, дается посредством
==0,10002 мм (3)
Следовательно, смещение R (которое показано горизонтально на Фигуре) между величиной излучения 80c обнаружения, отраженной сосудом 88, и второй величиной излучения 80 обнаружения, отраженной поверхностью 78 жидкости 74, дается посредством следующей формулы
=0,0042 мм (4)
Смещение R вследствие глубины жидкости , равной 0,1 мм, равняется 0,0042 мм, и если шаг детектора, используемого, чтобы измерять упомянутое смещение, равняется 5 мкм, то, для того, чтобы детектор (в этом случае CCD) измерял смещение R, может быть желательным увеличить смещение так, чтобы смещение было эквивалентно приблизительно 2 пикселям перемещения в детекторе. В этом случае, вследствие того факта, что шаг детектора равняется 5 мкм, 2 пикселя перемещения будут равняться 10 мкм перемещения.
Следовательно, для того, чтобы смещение R, равное 0,42 мкм, вырабатывало смещение в компоновке датчика, равное приблизительно 10 мкм, требуется увеличение, равное приблизительно 2,5.
Оптические средства 82, которые располагаются вдоль пути второй величины излучения обнаружения перед компоновкой 84 датчика, могут быть сконфигурированы с возможностью вырабатывать требуемое увеличение, равное приблизительно 2,5. Фиг.9 показывает схематический вид оптической системы, которая может формировать часть оптических средств 82 на пути второй величины излучения обнаружения перед компоновкой 84 датчика, чтобы вырабатывать подходящее увеличение.
Оптическая компоновка, показанная на Фиг.9, включает в себя объективную линзу 96 и изображающую линзу 98. Фокусное расстояние объективной линзы равняется 300 мм и фокусное расстояние изображающей линзы равняется 30 мм. Внутри оптической системы имеется объект 100, который соответствует смещению R и который имеет величину в этом примере, равную 4,2 мкм. Расстояние между объективной линзой 96 и объектом (который в этом случае является смещением R, расположенным в местоположении распознавания глубины в нижней части сосуда 88), равняется приблизительно 1800 мм. Это вследствие того факта, что объективная линза 96 располагается внутри натрубного блока. Если объективная линза 96 и изображающая линза 98 разнесены на полное расстояние, равное 392 мм, то промежуточное изображение 102 будет формироваться между объективной линзой 96 и изображающей линзой 98 в местоположении 360 мм от объективной линзы. В этом случае промежуточное изображение 102 будет иметь высоту, равную 0,84 мкм.
Как можно видеть на Фигуре, конечное изображение 104 формируется на противоположной стороне изображающей линзы 98 по отношению к промежуточному изображению 102. Конечное изображение 104 отдалено от изображающей линзы 98 на расстояние, равное 480 мм. Конечное изображение 104 имеет высоту 12,6 мкм.
Увеличение оптической системы, показанной на Фиг. 9, обеспечивается посредством высоты конечного изображения 104, разделенной на высоту объекта 100 (т.е. смещение R), которое в этом случае равняется 12,6 мкм, разделенному на 4,2 мкм, что равняется 3 (то есть достаточно близко к требуемому увеличению, равному приблизительно 2,5). Следует принять во внимание, что может использоваться любая подходящая оптическая система, чтобы создавать любое требуемое увеличение смещения R, так что смещение R вследствие требуемого изменения в глубине жидкости может измеряться посредством компоновки датчика, имеющей заданное разрешение (например, шаг или расстановку пикселей).
В некоторых вариантах осуществления, чтобы улучшать точность датчика глубины жидкости, может быть желательным минимизировать диаметр первой величины излучения обнаружения, когда она падает на жидкость в нижней части сосуда. Посредством уменьшения диаметра первой величины излучения обнаружения, когда она падает на жидкость, это уменьшает диаметр второй величины излучения, когда она падает на компоновку датчика, что, тем самым, делает более легким для компоновки датчика обнаруживать положение второй величины излучения обнаружения и, тем самым, обеспечивает возможность контроллеру определять более точную меру, показывающую глубину жидкости, на основе сигнала датчика, вырабатываемого посредством компоновки датчика.
В некоторых вариантах осуществления, чтобы улучшать точность датчика глубины жидкости, может быть желательным максимизировать диаметр первой величины излучения обнаружения, когда она падает на жидкость в нижней части сосуда. В некоторых применениях может быть предпочтительной максимизация диаметра первой величины излучения. Например, если текучая среда, через которую проходит первая величина излучения обнаружения (или жидкость, на которую падает первая величина излучения обнаружения), флуоресцирует в присутствии первой величины излучения обнаружения, может быть предпочтительным максимизировать диаметр первой величины излучения обнаружения так, чтобы плотность мощности первой величины излучения уменьшалась, тем самым, уменьшая флуоресценцию, вызываемую первой величиной излучения обнаружения. Уменьшение величины флуоресценции может быть предпочтительным, так как флуоресцентное излучение может неблагоприятно влиять на функционирование датчика глубины жидкости и/или оптического химического анализатора.
В других вариантах осуществления, первая величина излучения обнаружения может содержать множество дискретных частей (например, зон) излучения, которое падает на жидкость в нижней части сосуда. В других вариантах осуществления, первая величина излучения обнаружения может иметь любую подходящую конфигурацию. Например, в некоторых вариантах осуществления, первая величина излучения может формировать, в общем, линейную форму, такую как линия, которая падает на жидкость в нижней части сосуда.
В отсутствие каких-либо дополнительных оптических средств, диаметр первой величины излучения обнаружения, когда она падает на жидкость внутри сосуда, будет определяться расхождением источника первой величины излучения обнаружения и длиной пути между источником первой величины излучения обнаружения и жидкостью.
Фиг. 10 показывает схематическую иллюстрацию одного варианта осуществления датчика глубины жидкости, который сконфигурирован с возможностью уменьшать диаметр первой величины излучения 72 обнаружения, когда она падает на жидкость 74 в местоположении 76 распознавания глубины внутри сосуда 88.
Чтобы обеспечивать ясность, Фиг. 10 показывает увеличение сосуда 88, показанное посредством 110.
Как описывалось ранее, можно видеть, что источник 70 излучения вырабатывает первую величину излучения 72 обнаружения, которая направляется так, что она падает на жидкость 74 в нижней части сосуда 88, так что вторая величина излучения 80 обнаружения отражается жидкостью 74 в нижней части сосуда 88. Вторая величина излучения 80 обнаружения затем принимается компоновкой 84 датчика. Как описывалось ранее, как первая величина излучения 72 обнаружения, так и вторая величина излучения 80 обнаружения проходят через, по существу, прозрачное окно 30b, которое смонтировано на сосуде 88. Как описывалось ранее, окно 30b монтируется на сосуде так, что окно является, по существу, газонепроницаемым и, следовательно, утечка какого-либо газа, содержащегося внутри сосуда 88, между сосудом и окном, по существу, предотвращается. Окно 30b может монтироваться на сосуде 88 любым подходящим способом, как, например, это показано на Фиг. 3 и 4.
Датчик глубины жидкости включает в себя элемент 112 расширения пучка, который сконфигурирован с возможностью расширять первую величину излучения 72 обнаружения. Датчик глубины жидкости также включает в себя первый и второй собирающие пучок элементы 114, которые совместно сконфигурированы с возможностью собирать первую величину излучения обнаружения в фокусе в фокусном положении, которое, по существу, совместно расположено с жидкостью 74.
Хотя показанный вариант осуществления имеет два собирающих пучок элемента 114, другие варианты осуществления могут иметь любое подходящее количество собирающих пучок элементов, например, в некоторых вариантах осуществления может быть только один собирающий пучок элемент. Некоторые варианты осуществления могут не включать в себя такой собирающий пучок элемент. Следует отметить, что собирающие пучок элементы 114 расположены после элемента 112 расширения пучка. То есть можно сказать, элемент 112 расширения пучка располагается перед (по отношению к первой величине излучения 72 обнаружения) собирающими пучок элементами 114.
Датчик глубины жидкости, показанный на Фиг.10, также включает в себя элемент направления пучка, который направляет первую величину излучения обнаружения в направлении к местоположению 76 распознавания глубины. В этом варианте осуществления элемент 116 направления излучения является отражающим элементом (например, зеркалом). Следует принять во внимание, что в других вариантах осуществления элемент направления излучения может быть любым подходящим элементом направления излучения, который выполнен с возможностью направления первой величины излучения 72 обнаружения. Дополнительно, в других вариантах осуществления, датчик глубины жидкости может включать в себя любое подходящее количество элементов направления излучения вдоль пути первой и/или второй величин излучения обнаружения.
В некоторых вариантах осуществления может быть желательным включать сюда собирающий пучок элемент (не показан), который располагается на пути второй величины излучения обнаружения и сконфигурирован с возможностью собирать вторую величину излучения обнаружения в фокусе в фокусном положении, которое, по существу, совместно расположено с компоновкой датчика. Это может помогать уменьшать диаметр второй величины излучения обнаружения, когда она падает на устройство распознавания, и, тем самым, увеличивать точность определения положения, в котором вторая величина излучения обнаружения падает на устройство распознавания, и, следовательно, увеличивать точность определения посредством контроллера меры, показывающей глубину жидкости, на основе сигнала датчика, вырабатываемого посредством компоновки датчика.
Датчик глубины жидкости также включает в себя элемент 118 очищения от спеклов. Элемент очищения от спеклов располагается на пути первой величины излучения 72 обнаружения. Первая величина излучения 72 обнаружения падает на элемент 118 очищения от спеклов. Элемент очищения от спеклов сконфигурирован с возможностью уменьшать влияние спекла внутри первой величины излучения 72 обнаружения на сигнал датчика, вырабатываемый посредством компоновки 84 датчика.
Спекл является хорошо известным эффектом внутри излучения, вырабатываемого посредством источников когерентного излучения (например, лазеров). Спекл-картина проистекает из интерференции когерентного излучения, которое рассеивается от грубой поверхности (такой как поверхность жидкости). Было обнаружено, что спекл-картина внутри второй величины излучения 80 обнаружения, которая отражается поверхностью жидкости 74, может флуктуировать с течением времени, что, таким образом, изменяет форму второй величины излучения 80 обнаружения, которая измеряется компоновкой 84 распознавания. Изменение в форме второй величины излучения обнаружения, измеряемой компоновкой 84 распознавания, может вызывать то, что компоновка распознавания будет некорректно определять то, что произошло перемещение положения, в котором вторая величина излучения обнаружения падает на компоновку датчика (и, следовательно, изменение в глубине жидкости).
В результате, изобретатели обнаружили, что использование элемента очищения от спеклов, чтобы уменьшать величину спекла во второй величине излучения обнаружения, улучшает определение компоновкой датчика местоположения, в котором вторая величина излучения обнаружения падает на компоновку датчика, и, следовательно, улучшает меру, показывающую глубину жидкости, определяемую посредством контроллера.
В одном варианте осуществления элемент очищения от спеклов может принимать форму диффузорного листа, который смонтирован на пути первой величины излучения обнаружения, так что первая величина излучения обнаружения падает на него и проходит через него. Диффузорный лист может принимать любую подходящую форму (например, диффузорный лист может принимать форму матированного стекла). Диффузорный лист вращается посредством двигателя, так что часть диффузорного листа, через которую проходит первая величина излучения обнаружения, изменяется со временем. Отсюда следует, что первая величина излучения проходит через грубую поверхность диффузорного листа, которая изменяется с течением времени. Следовательно, вращающийся диффузор сглаживает и, тем самым, минимизирует спекл-картину.
Следует принять во внимание, что, в других вариантах осуществления, может использоваться любой подходящий элемент очищения от спеклов. Например, могут использоваться колеблющиеся зеркала или пропуск первой величины излучения обнаружения через вибрирующую волоконную оптику, как должно хорошо пониматься специалистом в данной области техники.
Некоторые варианты осуществления датчика глубины жидкости могут быть сконфигурированы так, что компоновка датчика выполнена с возможностью принимать третью величину излучения обнаружения, при этом третья величина излучения обнаружения является частью первой величины излучения обнаружения, которая отражается второй поверхностью аналогично тому, как вторая величина излучения обнаружения отражается поверхностью жидкости. Положение, в котором третья величина излучения обнаружения падает на компоновку датчика, зависит от длины пути между источником излучения и второй поверхностью (и также зависит от длины пути между сборкой датчика и второй поверхностью). Компоновка датчика дополнительно может быть сконфигурирована с возможностью выводить сигнал датчика, показывающий положение, в котором третья величина излучения обнаружения падает на компоновку датчика.
Эта концепция описывается более подробно со ссылкой на Фиг. 7. Фигура показывает количество жидкости 74 внутри сосуда 88, так что поверхность 78 является поверхностью жидкости 74. Следовательно, поверхности, показанные посредством 78a и 78b на фигуре, являются нерелевантными для обсуждения этой концепции. Как описывалось ранее, можно видеть, что первая величина излучения 72 обнаружения падает на поверхность 78 жидкости 74 и отражается поверхностью 78 жидкости 74. Отраженная часть первой величины излучения 72 обнаружения формирует вторую величину излучения 80 обнаружения, которая затем падает на компоновку 84 датчика в положении 90.
В дополнение, если жидкость 74 является, по меньшей мере, частично прозрачной для первой величины излучения 72 обнаружения, то, часть первой величины излучения 72 обнаружения, которая не отражается поверхностью 78 жидкости 74, будет перемещаться через жидкость 74 и падать на вторую поверхность, в этом случае поверхность сосуда 88. Часть излучения, которая отражается поверхностью сосуда 88, может упоминаться как третья величина излучения обнаружения и показана посредством 80c на Фиг. 7. Третья величина излучения 80c обнаружения падает на компоновку 84 датчика в положении 90c. Как описывалось ранее, расстояние между местоположениями 90 и 90c (то есть положениями, в которых вторая величина излучения обнаружения и третья величина излучения обнаружения соответственно падают на компоновку 84 датчика), зависит от различия в длине пути первой величины излучения 72 обнаружения, между тем местом, где она отражается поверхностью 78 жидкости 74, и тем местом, где она отражается поверхностью сосуда 88.
1
1
В случае, показанном на Фиг. 7, расстояние между положением, в котором первая величина излучения обнаружения отражается поверхностью 78, и положением, в котором первая величина излучения обнаружения отражается поверхностью сосуда 88, дается посредством уравнения 1, где d равняется d. Снова, как описывалось ранее, расстояние между точкой, в которой первая величина излучения обнаружения отражается поверхностью 78 жидкости, и точкой, в которой первая величина излучения 72 обнаружения отражается поверхностью сосуда 88, конечно, зависит от глубины жидкости 74, которая в этом случае равна d.
Отсюда следует, что контроллер может быть сконфигурирован с возможностью определять меру, показывающую различие между длиной пути между источником излучения и поверхностью 78 жидкости 74, и длиной пути между источником излучения и второй поверхностью (в этом случае поверхностью сосуда 88), на основе сигнала датчика, вырабатываемого компоновкой датчика. Отсюда следует, что контроллер, на основе сигнала датчика, вырабатываемого компоновкой датчика, может быть сконфигурирован с возможностью определять меру, показывающую длину пути между тем местом, где первая величина излучения обнаружения отражается поверхностью жидкости 78, и тем местом, где первая величина излучения обнаружения отражается второй поверхностью (в этом случае поверхностью сосуда 88).
Другими словами, контроллер может быть сконфигурирован с возможностью измерять расстояние между местоположением 90, в котором вторая величина излучения обнаружения падает на компоновку 84 датчика, и местоположением 90c, в котором третья величина излучения 80c обнаружения падает на компоновку 84 датчика, чтобы определять меру, показывающую расстояние между поверхностью 78 жидкости 74 и поверхностью сосуда 88. Расстояние между поверхностью 78 жидкости 74 и второй поверхностью (в этом случае поверхностью сосуда 88) может быть глубиной жидкости 74.
Определение глубины жидкости в местоположении распознавания глубины таким способом может быть предпочтительным по нескольким причинам. Например, изменения в характеристике первой величины излучения обнаружения будут оказывать влияние на вторую величину излучения обнаружения и третью величину излучения обнаружения эквивалентным образом. Например, если направление первой величины излучения обнаружения, вырабатываемой посредством источника излучения, изменяется, то это будет оказывать влияние как на положение, в котором вторая величина излучения обнаружения падает на компоновку датчика, и положение, в котором третья величина излучения обнаружения падает на компоновку датчика. В некоторых вариантах осуществления, расстояние между положениями 90 и 90c будет затрагиваться меньше изменением в направлении первой величины излучения обнаружения, чем абсолютное перемещение положений 90 и 90c, вызванное изменением в направлении первой величины излучения обнаружения. Следовательно, если контроллер вычисляет глубину жидкости на основе различия между положением 90 и положением 90c, то любая ошибка, вызванная изменением в направлении первой величины излучения обнаружения, в определении меры, показывающей глубину жидкости, будет минимизироваться.
Другое потенциальное преимущество состоит в том, что, в отличие от вариантов осуществления, в которых измеряется только вторая величина излучения обнаружения, которая отражается поверхностью жидкости, чтобы определять меру, показывающую глубину жидкости, не требуется никакая начальная калибровка, чтобы определять положение, в котором часть первой величины излучения отражается поверхностью сосуда. Это из-за того, что в ситуации, в которой компоновка 84 датчика измеряет положение падающих второй величины излучения обнаружения и третьей величины излучения обнаружения одновременно, контроллер непрерывно обеспечивается информацией в отношении местоположения точки, в которой часть первой величины излучения обнаружения отражается поверхностью сосуда (которая в этом случае соответствует третьей величине излучения обнаружения).
В некоторых вариантах осуществления, вторая и третья величины излучения, которые падают на компоновку датчика, могут быть такими, что они не являются дискретными. То есть можно сказать, что вторая и третья величины излучения могут падать на компоновку датчика так, что они перекрываются. В таких вариантах осуществления, вместо определения меры, показывающей расстояние между поверхностью жидкости и поверхностью сосуда, посредством измерения расстояния между местоположением, в котором вторая величина излучения обнаружения падает на компоновку датчика, и местоположением, в котором третья величина излучения обнаружения падает на компоновку датчика, контроллер может определять меру, показывающую расстояние между поверхностью жидкости и поверхностью сосуда, посредством измерения характеристики перекрытия второй и третьей величин излучения обнаружения. Например, характеристика может быть шириной или формой перекрытия второй и третьей величин излучения обнаружения. В случае, когда измеренная характеристика перекрытия второй и третьей величин излучения обнаружения является шириной перекрытия второй и третьей величин излучения обнаружения, может иметь место то, что чем больше ширина перекрытия второй и третьей величин излучения обнаружения, тем больше глубина жидкости в местоположении распознавания глубины.
В некоторых вариантах осуществления было обнаружено, что, если положение, в котором вторая величина излучения обнаружения падает на компоновку датчика, вычерчивается по отношению к глубине жидкости в местоположении распознавания глубины, градиент графика изменяется в зависимости от того, является ли жидкость в местоположении распознавания глубины жидкости прозрачной или непрозрачной. Следовательно, в некоторых вариантах осуществления, контроллер определяет, является ли жидкость в местоположении распознавания глубины жидкости прозрачной или непрозрачной, на основе изменения в положении, в котором вторая величина излучения обнаружения падает на компоновку датчика, которое происходит для заданного изменения в глубине жидкости в местоположении распознавания глубины жидкости.
Было обнаружено, что некоторые варианты осуществления датчика глубины жидкости неблагоприятно затрагиваются, когда подвергаются изменению в температуре. Например, изменение в температуре оптического компонента на пути первой величины излучения обнаружения или второй величины излучения обнаружения может давать результатом изменение в направлении второй величины излучения обнаружения и, тем самым, давать результатом изменение в положении, в котором вторая величина излучения обнаружения падает на компоновку датчика. Следует принять во внимание, что это может вести к неточной мере, показывающей глубину жидкости, как определяется посредством процессора.
Один потенциальный способ минимизации или устранения какой-либо ошибки в глубине жидкости, определенной посредством контроллера датчика глубины жидкости, состоит в том, чтобы включать сюда устройство регулировки температуры как часть датчика глубины жидкости. Устройство регулировки температуры может быть сконфигурировано с возможностью поддерживать температуру, по меньшей мере, одного из компонентов датчика глубины жидкости, по существу, постоянной. Устройства регулировки температуры являются хорошо известными в данной области техники и, таким образом, дополнительные детали работы регулятора температуры пропускаются.
Другой возможный способ минимизации какой-либо ошибки, которая может происходить в определении меры глубины жидкости, выполняемом датчиком глубины жидкости, вследствие изменений температуры или других изменений в рабочих параметрах датчика обнаружения жидкости (например, флуктуаций в характеристиках первой величины излучения обнаружения, вырабатываемой посредством источника излучения), состоит в том, чтобы включать сюда опорный канал внутри датчика обнаружения жидкости.
В одном варианте осуществления датчик глубины жидкости включает в себя опорный канал. В одном варианте осуществления опорный канал включает в себя второй источник излучения, который вырабатывает четвертую величину излучения обнаружения. Второй источник излучения сконфигурирован с возможностью, при использовании, направлять четвертую величину излучения обнаружения так, что она падает на опорную поверхность. Опорная поверхность является предпочтительно поверхностью, которая отражает четвертую величину излучения обнаружения. Опорная поверхность располагается на фиксированной (игнорируя тепловые воздействия) длине пути от второго источника излучения.
Опорный канал дополнительно содержит вторую компоновку датчика, которая выполнена с возможностью принимать пятую величину излучения обнаружения. Пятая величина излучения обнаружения является частью четвертой величины излучения обнаружения, которая отражается опорной поверхностью. Аналогичным образом, как для второй величины излучения обнаружения, положение, в котором пятая величина излучения обнаружения падает на вторую компоновку датчика, зависит от длины пути между вторым источником излучения и опорной поверхностью.
Вторая компоновка датчика дополнительно сконфигурирована с возможностью выводить сигнал датчика, показывающий положение, в котором пятая величина излучения обнаружения падает на вторую компоновку датчика. Контроллер датчика глубины жидкости сконфигурирован с возможностью принимать сигнал датчика, показывающий положение, в котором пятая величина излучения обнаружения падает на вторую компоновку датчика, и определять меру, показывающую изменение в длине пути между вторым источником излучения и опорной поверхностью, на основе сигнала датчика, показывающего положение, в котором пятая величина излучения обнаружения падает на вторую компоновку датчика. В некоторых вариантах осуществления вторая компоновка датчика может измерять, по меньшей мере, одну другую рабочую характеристику второго источника излучения (например, интенсивность излучения, выводимого посредством второго источника излучения) и, следовательно, вырабатывать сигнал, показывающий изменение в упомянутой, по меньшей мере, одной другой рабочей характеристике второго источника излучения.
Вследствие того факта, что длина пути между вторым источником излучения и опорной поверхностью является, по существу, постоянной (исключая наведение лазера и тепловые эффекты), то любое изменение в положении, в котором пятая величина излучения обнаружения падает на вторую компоновку датчика, будет зависеть от состояния датчика глубины жидкости.
Например, положение, в котором пятая величина излучения обнаружения падает на вторую компоновку датчика, может зависеть от изменения в температуре датчика глубины жидкости и, следовательно, термически вызванного изменения в длине пути между вторым источником излучения (и/или второй компоновкой датчика) и опорной поверхностью. В дополнение или альтернативно, любое изменение в положении, в котором пятая величина излучения обнаружения падает на вторую компоновку датчика, может вызываться изменением других аспектов датчика глубины жидкости.
Например, положение, в котором пятая величина излучения обнаружения падает на вторую компоновку датчика, может изменяться как функция характеристик второго источника излучения. Например, если направление распространения четвертой величины излучения обнаружения, вырабатываемого посредством второго источника излучения, изменяется, то это будет вызывать изменение в положении, в котором пятая величина излучения обнаружения падает на вторую компоновку датчика.
Если, как имеет место в некоторых датчиках глубины жидкости, второй источник излучения, вырабатывающий четвертую величину излучения обнаружения, и первый источник излучения, вырабатывающий первую величину излучения обнаружения, являются одним и тем же, то любая флуктуация в характеристиках источника излучения будет измеряться как первой компоновкой датчика, так и второй компоновкой датчика. Такие флуктуации в источнике излучения не ограничены только флуктуациями в направлении излучения обнаружения, вырабатываемого источником излучения, но распространяются на другие флуктуации, такие как флуктуации в мощности источника излучения или многомодовость источника излучения.
Следовательно, опорный канал может использоваться, чтобы определять флуктуирует ли характеристика датчика глубины жидкости способом, который может давать результатом ошибку в мере, показывающей глубину жидкости, определяемой контроллером. Например, если обнаруживается изменение в длине пути между вторым источником излучения и опорной поверхностью, то это может быть результатом теплового изменения, которое оказало влияние на опорный канал. Такое тепловое изменение может также оказывать влияние на длину пути между первым источником, вырабатывающим первую величину излучения обнаружения, и поверхностью любой жидкости (если присутствует) внутри сосуда. Следовательно, тепловое изменение может оказывать влияние на положение, в котором вторая величина излучения обнаружения падает на компоновку датчика, и, следовательно, меру глубины жидкости, определяемую контроллером.
Контроллер может быть сконфигурирован с возможностью корректировать меру, показывающую глубину жидкости, определяемую контроллером датчика глубины жидкости, на основе вывода опорного канала, вырабатываемого посредством второй компоновки датчика.
В некоторых вариантах осуществления, опорный канал может затрагиваться характеристиками самого второго источника излучения, как, например, направлением распространения четвертой величины излучения обнаружения, вырабатываемой вторым источником излучения. Если второй источник излучения и источник излучения, вырабатывающий первую величину излучения обнаружения, являются одним и тем же, то изменение в направлении распространения первой величины излучения обнаружения, которое оказывает влияние на измерение, делаемое первой компоновкой датчика, будет также вызывать изменение в направлении распространения четвертой величины излучения обнаружения, которая измеряется второй компоновкой датчика. Контроллер датчика глубины жидкости может затем использовать сигнал, вырабатываемый второй компоновкой, чтобы корректировать любую ошибку в измерении, показывающем глубину жидкости, определяемом на основе компоновки датчика. То есть можно сказать, в некоторых вариантах осуществления, контроллер может быть сконфигурирован с возможностью вычислять скорректированную меру, показывающую глубину жидкости, на основе сигнала датчика, показывающего положение, в котором вторая величина излучения обнаружения падает на компоновку датчика, и на основе сигнала датчика, показывающего положение, в котором пятая величина излучения обнаружения падает на вторую компоновку датчика.
В дополнение, если первый источник излучения (который вырабатывает первую величину излучения обнаружения) и второй источник излучения (который вырабатывает четвертую величину излучения обнаружения) являются одним и тем же, то флуктуации в других рабочих параметрах источника излучения будут измеряться как первой компоновкой датчика, так и второй компоновкой датчика.
Например, как описывалось ранее, в некоторых вариантах осуществления, первая и вторая компоновки датчика могут быть сконфигурированы с возможностью измерять, по меньшей мере, одно другое свойство второй и пятой величин излучения обнаружения. Первая и вторая компоновки датчика могут быть сконфигурированы с возможностью измерять распределение интенсивности или положение соответствующих величин излучения обнаружения и/или полную интенсивность соответствующих величин излучения обнаружения. Таким образом, если как первая компоновка датчика, так и компоновка датчика обнаруживает, по существу, аналогичные флуктуации в распределении интенсивности падающего излучения и/или полной принятой интенсивности, то это может показывать многомодовость источника излучения или флуктуацию в мощности излучения, вырабатываемого источником излучения. Контроллер может затем быть сконфигурирован с возможностью выводить сигнал, который показывает субоптимальную работу источника излучения, например, многомодовость или флуктуацию в мощности источника излучения.
Некоторые варианты осуществления датчика глубины жидкости могут неблагоприятно затрагиваться изменением в температуре сосуда, на котором датчик глубины жидкости смонтирован, и/или изменением в температуре текучей среды внутри сосуда. Некоторые варианты осуществления могут включать в себя сигнал температуры, который выводит сигнал, который показывает температуру сосуда и/или температуру текучей среды внутри сосуда. Датчик температуры может использоваться, чтобы устранять или ослаблять неблагоприятное влияние, которое возникает вследствие изменения в температуре сосуда и/или текучей среды внутри сосуда. Один способ, которым это может достигаться, состоит в том, что датчик глубины жидкости может калиброваться с использованием датчика температуры. Чтобы калибровать датчик глубины жидкости известная глубина жидкости помещается в местоположении распознавания глубины. Температура сосуда и/или текучей среды внутри сосуда затем изменяется (или допускается изменяться). Вывод датчика температуры и мера, показывающая глубину жидкости в местоположении распознавания глубины, отслеживаются контроллером. Контроллер может затем определять то, как мера, показывающая глубину жидкости в местоположении распознавания глубины, изменяется как функция температуры сосуда и/или текучей среды внутри сосуда, измеряемой посредством датчика температуры. Контроллер может быть сконфигурирован с возможностью корректировать меру, показывающую глубину жидкости, определяемую посредством контроллера датчика глубины жидкости, на основе вывода датчика температуры.
Фиг. 11 показывает схематическую диаграмму оптического химического анализатора, который может формировать часть одного варианта осуществления настоящего изобретения. Как описывалось ранее по отношению к Фиг. 5, оптический химический анализатор содержит источник 46 первой величины излучения и детектор 48. Источник 46 излучения и детектор 48 располагаются во внетрубном блоке, показанном схематически посредством штрихового прямоугольника 40.
Оптический химический анализатор также включает в себя натрубный блок 16. Натрубный блок 16 монтируется на сосуде, который в этом случае является газопроводом 10. Натрубный блок 16 может монтироваться на газопроводе 10 любым подходящим способом. Например, он может монтироваться через ответвительную трубу 18 в комбинации с любой из компоновок, показанных на Фиг. 3 или Фиг. 4.
Как описывалось ранее, внетрубный блок 40 может располагаться дистанционно по отношению к натрубному блоку. Например, внетрубный блок 40 может располагаться в более чем, по меньшей мере, одном из приблизительно 5 метрах, приблизительно 10 метрах, приблизительно 30 метрах и приблизительно 100 метрах от натрубного блока 16.
В некоторых вариантах осуществления одиночный внетрубный блок может соединяться с множеством внетрубных блоков, так что одиночный внетрубный блок может осуществлять связь с/управлять множеством натрубных блоков централизованно. Взаимодействие каждого натрубного блока с центральным внетрубным блоком является таким, как описывалось ранее.
Натрубный блок 16 связан с внетрубным блоком посредством, по меньшей мере, двух оптических волокон 50a и 50b.
Более подробно, в показанном варианте осуществления на Фиг. 11, источник 46 излучения сконфигурирован с возможностью направлять первую величину излучения через оптический модуль, так что первая величина излучения 200 падает на или проходит через цель в местоположении цели. В этом случае, цель может включать в себя жидкость 14, расположенную в нижней части сосуда (газопровода 10), и/или газ в сосуде (газопроводе 10). Газ в газопроводе в некоторых случаях может включать в себя превращенное в пар, или в виде макрочастиц загрязняющее вещество, или загрязняющее вещество, содержащееся в газе, является аэрозолем.
В показанном варианте осуществления на Фиг. 11, можно сказать, что оптический модуль включает в себя оптические средства, которые формируют часть внетрубного блока (представленные схематически посредством 202), оптическое волокно 50b и оптические средства, которые формируют часть натрубного блока (показанные схематически посредством 204). Оптический модуль дополнительно сконфигурирован с возможностью принимать вторую величину излучения 206 от цели и направлять вторую величину излучения в модуль преобразования Фурье пространственной интерференции (SIFT). В этом варианте осуществления, оптический модуль включает в себя оптические средства, которые формируют часть натрубного блока 16, которые показаны, в общем, как 208, первый ограничивающий фильтр 210, который является частью внетрубного блока 16, оптическое волокно 50a, второй ограничивающий фильтр 212, который является частью внетрубного блока 40, и оптические средства, которые формируют часть внетрубного блока 40, показанные, в общем, как 214.
Следует принять во внимание, что внутри оптического модуля могут использоваться любые подходящие оптические средства 202, 204, 208 и 214 при условии, что оптический модуль направляет первую величину излучения, вырабатываемого посредством источника 46 излучения, так, что она падает на или проходит через местоположение цели, и так, что оптический модуль может принимать вторую величину излучения от цели и направлять вторую величину излучения в модуль SIFT.
Источник излучения и оптический модуль (например, оптические средства, которые формируют часть внетрубного блока, и/или оптические средства, которые формируют часть натрубного блока) могут быть сконфигурированы так, что первая величина излучения является расширенным пучком излучения. Например, в одном варианте осуществления источник излучения может быть лазером и источник излучения и оптический модуль могут быть сконфигурированы так, что диаметр первой величины излучения, когда она падает на местоположение цели, равняется приблизительно 16 или приблизительно 22 мм.
В некоторых вариантах осуществления оптического химического анализатора согласно настоящему изобретению, диаметр первой величины излучения, когда она падает на местоположение цели, значительно больше, чем, диаметр величины излучения, падающей на цель, которая используется, чтобы возбуждать излучение комбинационного рассеяния в стандартной комбинационной спектроскопии. В стандартной комбинационной спектроскопии диаметр величины излучения, падающей на местоположение цели, которая используется, чтобы возбуждать излучение комбинационного рассеяния, обычно намного меньше чем 1 мм. Это из-за того, что, в стандартной комбинационной спектроскопии, является необходимым максимизировать плотность энергии величины излучения, которая используется, чтобы возбуждать излучение комбинационного рассеяния. Максимизация плотности энергии величины излучения, которая используется, чтобы возбуждать излучение комбинационного рассеяния, дает результатом то, что максимизируется плотность энергии вырабатываемого излучения комбинационного рассеяния. В стандартной комбинационной спектроскопии, оптические средства затем используются, чтобы принимать излучение комбинационного рассеяния от местоположения цели очень малой площади, на которое падает величина излучения, которая используется, чтобы возбуждать излучение комбинационного рассеяния.
Способность оптического химического анализатора согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения использовать расширенный пучок излучения, который падает в местоположении цели, означает, что высвечивается более большая область местоположения цели посредством расширенного пучка излучения, чем по сравнению с областью местоположения цели, которая бы высвечивалась посредством комбинационного возбуждающего излучения, используемого посредством стандартного спектрометра комбинационного рассеяния. Так как высвечиваемая область местоположения цели больше в настоящем изобретении по сравнению с областью стандартного спектрометра комбинационного рассеяния, является возможным для оптического химического анализатора согласно настоящему изобретению, в любой заданный момент, анализировать более большую область по сравнению со стандартным спектрометром комбинационного рассеяния. Способность анализировать более большую область делает более вероятным, что локализованное вещество будет располагаться внутри анализируемой области и, поэтому, будет обнаруживаться.
В вариантах осуществления, показанных на Фиг. 11, модуль SIFT включает в себя первый дисперсионный элемент 216 и второй дисперсионный элемент 218. Модуль SIFT сконфигурирован так, что часть 220 второй величины излучения принимается посредством первого дисперсионного элемента 216. Дополнительно, модуль SIFT сконфигурирован так, что часть 222 второй величины излучения принимается посредством второго дисперсионного элемента 218. Впоследствии обеспечивается, что части излучения 220 и 222, которые принимаются посредством первого дисперсионного элемента 216 и второго дисперсионного элемента 218 соответственно, интерферируют друг с другом, чтобы формировать картину интерференции. Излучение, показанное посредством 224 на Фиг. 11, включает в себя картину интерференции, который сформируется посредством интерференции упомянутой части упомянутой величины излучения, принимаемой посредством первого дисперсионного элемента, и упомянутой части второй величины излучения, принимаемой посредством второго дисперсионного элемента.
Детектор 48 сконфигурирован с возможностью захватывать изображение, по меньшей мере, части картины интерференции, присутствующего внутри излучения 224. Детектор дополнительно сконфигурирован с возможностью вырабатывать сигнал 226 детектора на основе захваченного изображения упомянутой, по меньшей мере, части картины интерференции.
Процессор (на Фиг. 11 не показан, но показан как 52 на Фиг. 5) сконфигурирован с возможностью принимать сигнал 226 детектора от детектора 48 и выполнять преобразование (например, преобразование Фурье) над изображением упомянутой, по меньшей мере, части картины интерференции, которая формирует часть сигнала 226 детектора, чтобы, тем самым, получать частотный спектр второй величины излучения 206. Процессор может быть сконфигурирован с возможностью обрабатывать частотный спектр второй величины излучения и, тем самым, идентифицировать присутствие вещества в цели и/или определять концентрацию вещества в цели способом, который является хорошо понятным специалисту в области спектрометрии.
В варианте осуществления, показанном на Фиг. 11, детектор захватывает изображение, по меньшей мере, части картины интерференции, присутствующего в излучении 224, посредством оптических средств 228 и 230.
Модуль SIFT, который формирует часть оптического химического анализатора, может использоваться совместно с любым подходящим типом спектрометрии.
В примере, показанном на Фиг. 11, модуль SIFT формирует часть спектрометра комбинационного рассеяния. То есть можно сказать, оптический химический анализатор, показанный на Фиг. 11, включает в себя спектрометр комбинационного рассеяния. Когда модуль SIFT используется как часть спектрометра комбинационного рассеяния, источник 46 излучения, который вырабатывает первую величину излучения, может быть, по существу, монохроматическим и, по существу, когерентным источником излучения. Например, источник излучения может быть лазером, однако, следует принять во внимание, что может использоваться любой, по существу, монохроматический и, по существу, когерентный источник излучения. В некоторых вариантах осуществления, источник излучения может быть 785 нм лазером, имеющим выход мощности, равный 400 мВт.
В случае комбинационной спектрометрии, вторая величина излучения 206, которая принимается от цели, будет излучением комбинационного рассеяния. Вторая величина излучения, также упоминаемая как вторая величина комбинационного рассеяния, может вырабатываться посредством возбуждения цели посредством первой величины излучения.
В случае, когда сосуд является газопроводом, не является очевидным использовать комбинационную спектроскопию, чтобы измерять присутствие или концентрацию вещества внутри газопровода. Это конкретно имеет место с жидкостью, расположенной в отдаленном местоположении, таком как в нижней части газопровода. Причина для этого состоит в том, что газопроводы имеют обычно относительно большой диаметр (например, 1,8 м). Сигнал, вырабатываемый посредством излучения комбинационного рассеяния, является во много раз более слабым, чем сигнал, который бы вырабатывался посредством использования других типов спектроскопии, например, спектроскопии поглощения. Следовательно, специалист в данной области техники не стал бы рассматривать использование комбинационной спектроскопии вследствие того факта, что является очень трудным измерять излучение комбинационного рассеяния на существенном расстоянии, которое излучение должно проходить, чтобы измеряться посредством детектора, который находится в отдаленном местоположении, внешнем к газопроводу. Эта проблема также может осложняться в некоторых случаях в силу необходимости, чтобы излучение комбинационного рассеяния проходило через относительно узкую ответвительную трубу перед проходом к детектору. Тот факт, что излучение комбинационного рассеяния должно проходить через узкую трубу/окно, дополнительно минимизирует величину излучения комбинационного рассеяния, которое может приниматься детектором, таким образом, делая более трудным для детектора измерять излучение комбинационного рассеяния. Чем меньше излучения комбинационного рассеяния принимается детектором, тем более трудным будет для детектора измерять излучение комбинационного рассеяния. То есть можно сказать, стандартные спектрометры комбинационного рассеяния не будут захватывать достаточно фотонов, чтобы обеспечивать захват полных спектров при работе в отдаленных применениях.
Изобретатели осознали, что посредством использования модуля SIFT, который включает в себя дисперсионные элементы как часть интерферометра в противоположность зеркалам (которые имеют тенденцию использоваться в других формах спектрометрии), является возможным достигать систему с высоким оптическим фактором с более большой пропускной способностью сигнала, что обеспечивает возможность использовать комбинационную спектроскопию даже на относительно больших расстояниях, на которых измерение излучения комбинационного рассеяния с использованием стандартного интерферометра будет неосуществимым для измерения.
Дополнительно, в сравнении со спектроскопией поглощения, было обнаружено, что измерения, делаемые посредством комбинационной спектроскопии, являются инвариантными по отношению к давлению. Наоборот, измерения, получаемые с использованием спектроскопии поглощения, дают результатом разброс положений пиков внутри спектра поглощения (в частотной области) с увеличением давления. Однако для пиков, получаемых в комбинационном спектре, этого не происходит. Следовательно, измерения с использованием комбинационной спектроскопии (в отличие от спектрометрии поглощения) могут использоваться в средах, в которых давление цели или внутри сосуда может изменяться, без необходимости заботиться об эффекте, который такое изменение в давлении может вызывать.
В дополнение, если сосуд содержит газ при высоком давлении (например, если сосуд является газопроводом с высоким давлением) не является очевидным использовать комбинационную спектроскопию, чтобы измерять присутствие или концентрацию вещества внутри газопровода. То есть можно сказать, не является очевидным использовать комбинационную спектроскопию, когда цель располагается в газе в среде высокого давления. Это из-за того, что является обычным для газов при высоком давлении иметь показатель преломления, который испытывает значительное изменение как функция температуры (по сравнению с показателем преломления для того же газа при атмосферном давлении). Отсюда следует, что, для газа при высоком давлении, относительно малые локальные флуктуации в температуре газа могут давать результатом значительные изменения показателя преломления газа. Это может давать результатом непредсказуемое возмущение излучения, которое проходит через газ. Это может упоминаться как "марево". Это явление является значительным при рассмотрении использования комбинационной спектроскопии.
Как описывалось ранее, сигнал, вырабатываемый посредством излучения комбинационного рассеяния, является во много раз более слабым, чем сигнал, который бы вырабатывался посредством использования других типов спектроскопии, например, спектроскопии поглощения. Это из-за того, что величина излучения комбинационного рассеяния, которая вырабатывается как функция величины излучения, используемой, чтобы возбуждать излучение комбинационного рассеяния, является малой. Эта проблема дополнительно осложняется тем фактом, что, хотя, в общем, излучение, используемое, чтобы возбуждать излучение комбинационного рассеяния, приходит из конкретного направления, излучение комбинационного рассеяния излучается изотропно. Это означает, что, если детектор должен собирать излучение комбинационного рассеяния, которое излучается в конкретном направлении, то он будет собирать только малую часть полного излученного излучения комбинационного рассеяния.
Чтобы максимизировать выработанный посредством излучения комбинационного рассеяния сигнал, является обычным в стандартной комбинационной спектроскопии фокусировать излучение, используемое, чтобы возбуждать излучение комбинационного рассеяния, так, что оно имеет диаметр намного меньше, чем 1 мм, когда оно падает на цель. Это дает результатом относительно большую плотность энергии излучения, используемого, чтобы возбуждать излучение комбинационного рассеяния в местоположении цели. Относительно большая плотность энергии излучения, используемого, чтобы возбуждать излучение комбинационного рассеяния в местоположении цели, дает результатом относительно высокую плотность энергии излучения комбинационного рассеяния, которое вырабатывается в местоположении цели. Стандартные спектрометры комбинационного рассеяния используют оптические средства с высоким увеличением, чтобы фокусироваться на малой (намного меньше, чем 1 мм в диаметре) области цели, которая высвечивается посредством излучения, используемого, чтобы возбуждать излучение комбинационного рассеяния, и, следовательно, из которой излучение комбинационного рассеяния излучается. Это обеспечивает возможность стандартному спектрометру комбинационного рассеяния захватывать настолько много выработанного излучения комбинационного рассеяния, насколько возможно.
Как описывалось ранее, для газа при высоком давлении, относительно малые локальные флуктуации в температуре газа могут давать результатом соответствующие значительные изменения в показателе преломления газа. Это является особенно релевантным в стандартных спектрометрах комбинационного рассеяния, так как, как описывалось выше, стандартные спектрометры комбинационного рассеяния фокусируются на очень малой области цели. Высоко направленный возвращаемый сигнал (излучение комбинационного рассеяния) может возмущаться посредством локальных изменений в показателе преломления газа вследствие флуктуаций в температуре газа. Такие возмущения в возвращаемом сигнале могут быть достаточными, чтобы давать результатом возвращаемый сигнал, который не принимается спектрометром, что, тем самым, дает результатом спектрометр, который является неспособным функционировать корректно. Аналогично, излучение, используемое, чтобы возбуждать излучение комбинационного рассеяния, может возмущаться посредством локальных изменений в показателе преломления газа вследствие флуктуаций в температуре газа. Такие возмущения могут давать результатом то, что излучение, используемое, чтобы возбуждать излучение комбинационного рассеяния, не возбуждает излучение комбинационного рассеяния в положении, на котором спектрометр фокусируется, чтобы принимать возвращаемый сигнал. Снова, это может давать результатом спектрометр, который является неспособным функционировать корректно.
Отсюда следует, что, вследствие относительно малых локальных флуктуаций в температуре газа при высоком давлении, дающих результатом соответствующие значительные изменения в показателе преломления газа, специалист в данной области техники не должен рассматривать использование комбинационной спектроскопии совместно с газом при высоком давлении.
Изобретатели обнаружили, что посредством использования модуля SIFT является возможным достигать систему высокого оптического фактора, которая использует расширенный пучок излучения, чтобы возбуждать излучение комбинационного рассеяния. Использование модуля SIFT также не требует фокусировки на очень малой области цели, чтобы возвращать полезный сигнал. Как таковые изобретатели разработали комбинационную систему, которая, посредством использования модуля SIFT, не затрагивается в значительной степени неблагоприятно локальными изменениями в показателе преломления газа высокого давления как результат локальных изменений в температуре газа. Следовательно, изобретатели разработали новую систему, которая обеспечивает возможность использования комбинационной спектрометрии совместно со средой газа высокого давления, которая не использует зонд или вторгается в трубопровод.
Модуль SIFT может использоваться с любым подходящим спектрометром.
Когда модуль SIFT используется как часть некоторых типов спектрометра (например, спектрометра комбинационного рассеяния), оптический модуль может дополнительно содержать фильтр подавления, сконфигурированный с возможностью, по существу, не допускать, чтобы компонента второй величины излучения, которая имеет частоту, которая является, по существу, такой же, как частота первой величины излучения, достигала модуля SIFT. Это из-за того, что первая величина излучения (то есть излучение, вырабатываемое посредством источника 46 излучения) не содержит какую-либо полезную информацию о свойствах цели. Фактически, в отсутствие фильтра подавления, может иметь место то, что если компонента второй величины излучения, которая имеет частоту, которая является, по существу, такой же как частота первой величины излучения, достигает модуль SIFT, то эта компонента второй величины излучения может переполнять детектор, так что информация, относящаяся к цели (например, присутствующая в излучении комбинационного рассеяния), не может измеряться посредством детектора. Это может означать, что детектор является неспособным для функционирования так, чтобы идентифицировать присутствие вещества в цели и/или определять концентрацию вещества в цели.
В настоящем варианте осуществления фильтр подавления включает в себя два ограничивающих фильтра 210 и 212. Ограничивающий фильтр 210 располагается на первом конце оптического волокна 50a (и в этом случае располагается внутри натрубного блока 16). Второй ограничивающий фильтр 212 располагается на втором конце оптического волокна 50a (и в этом случае располагается внутри внетрубного блока 40).
Является обычным для систем, которые включают в себя ограничивающий фильтр и оптическое волокно, иметь один или более ограничивающих фильтров, расположенных только на одном конце оптического волокна. Одна причина для этого состоит в том, что может быть неблагоприятным в терминах пространственной конфигурации располагать ограничивающий фильтр на каждой стороне оптического волокна.
Изобретатели обнаружили, что, неожиданно, оптические волокна вырабатывают некоторую малую величину флуоресценции. Излучение, вырабатываемое посредством флуоресценции внутри оптического волокна, может быть достаточным, чтобы обнаруживаться посредством детектора, и, следовательно, вызывать ошибку в частотном спектре второй величины излучения, который вычисляется процессором. Это из-за того, что процессор может принимать излучение, которое вырабатывается посредством флуоресценции оптического волокна, и предполагать, что оно вырабатывается посредством цели.
Было обнаружено, что, неожиданно, если ограничивающий фильтр располагается на каждом конце оптического волокна, то величина излучения, которая вырабатывается посредством флуоресценции внутри оптического волокна, уменьшается до намного более большого уровня, чем, уровень, когда один или более ограничивающих фильтров используется только на одном конце оптического волокна. Минимизация величины излучения, которая достигает модуль SIFT, которая имеет такую же длину волны, что и первая величина излучения, и минимизация величины излучения, которая достигает модуль SIFT, которая вырабатывается посредством флуоресценции в оптическом волокне, может вести к тому, что меньше нежелательного излучения достигает детектор. Следовательно, это будет давать результатом более точный частотный спектр второй величины излучения, который вычисляется процессором.
Имеется, в общем, два типа ограничивающего фильтра: пропускающие длинные волны ограничивающие фильтры и пропускающие короткие волны ограничивающие фильтры. Конструкция ограничивающего фильтра является хорошо известной специалисту в данной области техники и, как таковое, дополнительное описание конструкции ограничивающих фильтров пропускается.
Как пропускающие длинные волны ограничивающие фильтры, так и пропускающие короткие волны ограничивающие фильтры имеют то, что упоминается как длина волны отсечения. Пропускающие длинные волны ограничивающие фильтры конфигурируются так, что они являются относительно прозрачными для излучения длины волны, которая больше, чем длина волны отсечения, и являются относительно непрозрачными или отражающими для излучения, имеющего длину волны, которая является более короткой, чем длина волны отсечения. Обратно, пропускающий короткие волны ограничивающий фильтр конфигурируется так, что он является относительно прозрачным для излучения, имеющего длину волны, которая является более короткой, чем длина волны отсечения, и является относительно непрозрачным или отражающим для излучения, имеющего длину волны, которая больше, чем длина волны отсечения.
В некоторых вариантах осуществления, ограничивающие фильтры 210 и 212 могут быть выполнены так, что ограничивающие фильтры являются оба пропускающими длинные волны ограничивающими фильтрами или оба пропускающими короткие волны ограничивающими фильтрами. Если оба из ограничивающих фильтров являются пропускающими длинные волны ограничивающими фильтрами, то длина волны отсечения ограничивающих фильтров может выбираться так, что она является более длинной длиной волны, чем длина волны первой величины излучения. Подобным образом, если оба из ограничивающих фильтров являются пропускающими короткие волны ограничивающими фильтрами, то длина волны отсечения ограничивающих фильтров может выбираться так, что она является более короткой длиной волны, чем длина волны первой величины излучения.
В других вариантах осуществления, могут использоваться другие компоновки ограничивающих фильтров. Например, ограничивающие фильтры 210 и 212 могут быть выполнены так, что ограничивающий фильтр на одном конце оптического волокна (например, ограничивающий фильтр 210) является одним из пропускающего длинные волны ограничивающего фильтра или пропускающего короткие волны ограничивающего фильтра, и ограничивающий фильтр на втором конце оптического волокна (например, ограничивающий фильтр 212) является другим из пропускающего длинные волны ограничивающего фильтра или пропускающего короткие волны ограничивающего фильтра. Длины волн отсечения ограничивающих фильтров могут выбираться так, что длина волны отсечения пропускающего длинные волны ограничивающего фильтра меньше, чем длина волны отсечения пропускающего короткие волны ограничивающего фильтра. Этим способом, комбинация пропускающего длинные волны ограничивающего фильтра и пропускающего короткие волны ограничивающего фильтра будет такой, что является относительно прозрачной для излучения, которое имеет длину волны внутри диапазона, определенного между длиной волны отсечения пропускающего длинные волны ограничивающего фильтра и длиной волны отсечения пропускающего короткие волны ограничивающего фильтра. Длины волн отсечения пропускающих длинные и короткие волны ограничивающих фильтров могут выбираться так, чтобы излучение, которое имеет частоту/длину волны, которая является, по существу, такой же как частота/длина волны первой величины излучения, по существу, ослаблялось посредством ограничивающих фильтров, тогда как излучение, которое имеет частоту, которая является полезной при определении спектров цели, по существу, не ослаблялось ограничивающими фильтрами.
Хотя вариант осуществления, описанный выше, использует ограничивающие фильтры на первом и втором концах оптического волокна, в других вариантах осуществления, могут использоваться любые подходящие фильтры, чтобы минимизировать величину излучения, которая достигает модуль SIFT, которая имеет такую же длину волны, что и первая величина излучения, и/или чтобы минимизировать величину излучения, которая достигает модуль SIFT, которая вырабатывается посредством флуоресценции в оптическом волокне. Например, могут использоваться полосовой заграждающий или режекторный фильтры. Полосовой заграждающий или режекторный фильтры конфигурируются так, что они ослабляют предварительно определенный диапазон излучения. Например, полосовой заграждающий или режекторный фильтр может быть сконфигурирован с возможностью, чтобы, по существу, ослаблять излучение внутри диапазона, имеющего верхний и нижний частотные пределы. Фильтр также конфигурируется с возможностью позволять излучению с частотой выше верхней частоты и ниже нижней частоты проходить через него относительно без ослабления.
В некоторых компоновках, которые включают в себя первый оптический фильтр, расположенный на первом конце оптического волокна, и второй оптический фильтр, расположенный на втором конце оптического волокна (как описывалось выше), по меньшей мере, один из (и в некоторых случаях оба из) первого и второго оптических фильтров ориентирован так, что нормаль к поверхности оптического фильтра, на которую падает излучение, является непараллельной к направлению распространения упомянутого падающего излучения. Другими словами, нормаль к поверхности оптического фильтра, на которую падает излучение, является непараллельной к (или находится под углом по отношению к) оптической оси, вдоль которой излучение перемещается. Это также может упоминаться как то, что оптическая ось оптического фильтра является непараллельной (или находится под углом по отношению к) оптической оси, вдоль которой излучение перемещается.
Этим способом, любое излучение, которое падает на оптический фильтр, которое отражается посредством фильтра, будет отражаться в направлении, которое является отличным от направления излучения, падающего на оптический фильтр. Следовательно, излучение, которое отражается посредством оптического фильтра, не будет перемещаться вдоль того же пути (в противоположном направлении), что и падающее излучение. Это может быть предпочтительным в применениях, в которых отраженное излучение, если падает на цель, может вызывать, что цель излучает нежелательное излучение, которое может давать результатом нежелательное излучение, достигающее детектор, что, тем самым, дает результатом неточности в частотном спектре второй величины излучения, который вычисляется посредством процессора. Следовательно, в таких применениях, если оптическая ось оптического фильтра является непараллельной с оптической осью излучения, падающего на него, то любое излучение, которое прошло из местоположения цели, которое падает на оптический фильтр и которое отражается посредством оптического фильтра, будет отражаться посредством оптического фильтра в направлении таком, что отраженное излучение не падает на местоположение цели.
Компоновка, в которой первый оптический фильтр, расположенный на первом конце оптического волокна, и второй оптический фильтр, расположенный на втором конце оптического волокна, как описывалось выше, могут формировать часть любого подходящего спектрометра, описана в этом документе или ином.
В варианте осуществления, показанном на Фиг. 11, модуль SIFT включает в себя устройство 232 разделения пучка. Может использоваться любая подходящая форма устройства разделения пучка. В этом варианте осуществления устройство разделения пучка содержит куб лучерасщепителя. Устройство разделения пучка сконфигурировано с возможностью разделять вторую величину излучения на часть второй величины излучения, которая принимается посредством первого дисперсионного элемента 216, и часть второй величины излучения, которая принимается посредством второго дисперсионного элемента 218.
Первый и второй дисперсионные элементы 216, 218 сконфигурированы так, что они вызывают пространственное разделение излучения, падающего на них, на основе частоты излучения. То есть можно сказать, дисперсионные элементы сконфигурированы так, что если излучение, падающее на них, имеет некоторый спектр частот, то дисперсионные элементы будут разделять излучение в спектре направлений, при этом каждое направление внутри спектра направлений соответствует частоте в спектре частот.
Может использоваться любой подходящий дисперсионный элемент для первого и второго дисперсионных элементов (при условии, что они вызывают пространственное разделение излучения, падающего на них, на основе частоты излучения). Примеры подходящих дисперсионных элементов включают в себя призму или решетку.
Вариант осуществления, показанный на Фиг. 11, имеет первый и второй дисперсионные элементы, которые являются первой и второй дифракционными решетками соответственно.
Первая и вторая дифракционные решетки 216, 218 ориентированы так, что плоскость каждой из первой и второй дифракционных решеток 216, 218 является неперпендикулярной по отношению к оптической оси частей 220, 222 второй величины излучения, которые принимаются посредством первой и второй дифракционных решеток 216, 218 соответственно. В частности, угол, лежащий между нормалью к плоскости каждой из первой и второй дифракционных решеток и оптическими осями соответствующих частей второй величины излучения, является углом θ Литтрова. В этом случае, θ дается посредством перегруппировки уравнения:
(5)
где λ является длиной волны излучения, m является порядком дифракции (который имеет целочисленное значение) и 1/d является плотностью линий решетки.
Излучение взаимодействует с дифракционными решетками согласно уравнению:
(6)
где ω является углом дифракции по отношению к Литтрову для излучения с волновым числом k.
Следует принять во внимание, что для других типов дисперсионного элемента, как, например, призм, может не быть необходимым располагать их под углом по отношению к оптическим осям соответствующих частей второй величины излучения.
Для заданной конфигурации дисперсионного элемента (например, дифракционной решетки), спектральный диапазон SR (в волновых числах) конфигурации дается посредством:
(7)
D
где P является количеством пикселей детектора, которые измеряют дифракцию, и R является разрешающей способностью конфигурации.
Если длина волны Литтрова дифракционных решеток установлена на 920 нм, то с 12 мм апертурой дифракционной решетки, требуется 200 линий на миллиметр на решетках, чтобы охватывать требуемый спектральный диапазон от 801 нм до 1052 нм. Этот спектральный диапазон является достаточным, чтобы охватывать ожидаемое комбинационное излучение, вырабатываемое жидкостными загрязняющими веществами (например, гликолями, метанолом, аминами, газоконденсатами и/или компрессорными маслами), которые могут присутствовать в газопроводе. Следует принять во внимание, что, в других вариантах осуществления, могут использоваться любая подходящая апертура дифракционной решетки и/или количество линий на миллиметр дифракционных решеток, чтобы охватывать требуемый спектральный диапазон для заданной длины волны Литтрова.
В одном варианте осуществления детектор 48 является освещаемым сзади CCD, имеющим размеры, равные 26,4 мм на 2 мм, при которых формируется изображение картины интерференции, присутствующего внутри излучения 224. Хотя детектор, описанный в этом варианте осуществления, является детектором CCD, следует принять во внимание, что в других вариантах осуществления может использоваться любой подходящий датчик. Например, может использоваться датчик CMOS.
В этом варианте осуществления используются две цилиндрические линзы 228 и 230, чтобы формировать изображение картины интерференции, присутствующего внутри излучения 224, на детекторе, имеющем корректный размер.
Фиг. 12 показывает схематическое представление цилиндрических линз 228 и 230. В этом варианте осуществления объект 300 является поверхностью каждого из первого и второго дисперсионных элементов (в этом случае первой и второй дифракционных решеток). Объект 300 располагается на расстоянии 72 мм от первой цилиндрической линзы 228. Если размер объекта 300 равняется приблизительно 12 мм (например, вследствие 12 мм апертуры дифракционных решеток), то, чтобы корректно изображаться на детекторе (который имеет размеры 26,4 мм × 2 мм) изображение должно быть приблизительно в два раза больше по одной оси (соответствующей размеру 26.4 мм детектора) и быть приблизительно 0,16 размера по другой оси (то есть соответствующей размеру 2 мм детектора).
Цилиндрические линзы 228 и 230 имеют фокусные расстояния, равные 50 мм и 25 мм соответственно. В этом варианте осуществления цилиндрическая линза 230 располагается на расстоянии 208 мм от объекта 300 и изображение 302 формируется на расстоянии 28 мм от линзы 230 на противоположной стороне линзы 230 по отношению к объекту 300. Линза 228 располагается на расстоянии 72 мм от объекта и формирует изображение, которое находится на расстоянии 164 мм от линзы 228 и на другой стороне линзы 228 по сравнению с объектом 300. Комбинация линз, показанная на Фиг.12, дает результатом изображение, формируемое в детекторе, который имеет размер 25 мм × 1,68 мм.
В варианте осуществления, показанном на Фиг. 11, оптические средства 202 и 212 внутри внетрубного блока 40 и оптические средства 208 и 204 внутри натрубного блока 16 могут быть сконфигурированы так, что размер любой сфокусированной зоны, вырабатываемой на каждом из волокон 50a, 50b, держится ниже апертуры волокон 50a, 50b. Например, если апертура волокон равняется 0,9 мм, то оптические средства могут быть сконфигурированы с возможностью обеспечивать то, что любая сфокусированная зона, вырабатываемая на волокне, равняется приблизительно 0,8 мм в диаметре или менее. Это помогает обеспечивать то, что величина излучения, которая теряется за счет того, что не проходит по оптическим волокнам 50a, 50b, минимизируется, что, тем самым, увеличивает эффективность оптического химического анализатора.
Как описывалось ранее, варианты осуществления оптического химического анализатора не должны ограничиваться включением туда спектрометра комбинационного рассеяния, как описано выше. Оптический химический анализатор может включать в себя любой подходящий спектрометр. Например, некоторые варианты осуществления оптического химического анализатора могут включать в себя спектрометр поглощения.
В некоторых вариантах осуществления, в которых оптический химический анализатор содержит спектрометр поглощения, источник первой величины излучения может быть сконфигурирован с возможностью вырабатывать излучение, которое является, по существу, полихроматическим. То есть можно сказать, источник первой величины излучения может быть сконфигурирован с возможностью вырабатывать излучение, которое имеет некоторый спектр частот.
Один вариант осуществления оптического химического анализатора, который включает в себя спектрометр поглощения, также будет отличаться от варианта осуществления из Фиг. 11 (который включает в себя спектрометр комбинационного рассеяния) следующим образом. Оптический химический анализатор, показанный на Фиг. 11, который включает в себя спектрометр комбинационного рассеяния, имеет модуль SIFT, который обеспечивает возможность процессору получать частотный спектр второй величины излучения (то есть излучения, принимаемого от цели). Частотный спектр, определяемый посредством процессора, обеспечивает возможность измерять спектр излучения комбинационного рассеяния, вырабатываемого посредством цели.
В оптическом химическом анализаторе, который включает в себя спектрометр поглощения, модуль SIFT и процессор могут быть сконфигурированы с возможностью получать частотный спектр первой величины излучения (то есть излучения, обеспечиваемого в цель) и затем сравнивать частотный спектр первой величины излучения (обеспечиваемой в цель) и частотный спектр второй величины излучения (принимаемой от цели), чтобы вырабатывать спектр поглощения цели.
В общих терминах, модуль SIFT для оптического химического анализатора, включающего в себя спектрометр поглощения, по сравнению с модулем SIFT оптического химического анализатора, включающего в себя спектрометр комбинационного рассеяния, включает в себя дополнительную пару дисперсионных элементов, которые могут принимать часть первой величины излучения и, тем самым, вырабатывать вторую картину интерференции, изображение которого может формироваться посредством детектора и обрабатываться, чтобы получать частотный спектр первой величины излучения.
Более подробно, оптический химический анализатор, включающий в себя спектрометр поглощения, может включать в себя признаки, описанные по отношению к оптическому химическому анализатору, имеющему спектрометр комбинационного рассеяния, проиллюстрированному на Фиг. 11, и дополнительно включать в себя следующие признаки. Модуль SIFT может дополнительно содержать третий дисперсионный элемент и четвертый дисперсионный элемент. Модуль SIFT может быть сконфигурирован так, что часть первой величины излучения принимается посредством третьего дисперсионного элемента и интерферирует с частью первой величины излучения, принимаемой посредством четвертого дисперсионного элемента, чтобы формировать вторую картину интерференции. Ссылаясь кратко на Фиг. 11, части первой величины излучения, которые направляются так, чтобы приниматься посредством третьего дисперсионного элемента и четвертого дисперсионного элемента соответственно, могут направляться из положения A вдоль пути пучка первой величины излучения, вырабатываемой источником 46 первой величины излучения. То есть можно сказать, в одном варианте осуществления все компоненты модуля SIFT располагаются во внетрубном блоке. Модуль SIFT оптического химического анализатора, включающего в себя спектрометр поглощения, может дополнительно содержать второй детектор, сконфигурированный с возможностью захватывать изображение, по меньшей мере, части второй картины интерференции и вырабатывать второй сигнал детектора на основе изображения, захваченного посредством второго детектора.
Процессор оптического химического анализатора сконфигурирован с возможностью принимать второй сигнал детектора от второго детектора и выполнять преобразование Фурье над вторым сигналом детектора, чтобы, тем самым, получать частотный спектр первой величины излучения. Процессор может дополнительно быть сконфигурирован с возможностью сравнивать частотный спектр второй величины излучения с частотным спектром первой величины излучения, чтобы вырабатывать спектр поглощения. Например, процессор может быть сконфигурирован с возможностью вычитать частотный спектр первой величины излучения из частотного спектра второй величины излучения, чтобы вырабатывать спектр поглощения. Спектр поглощения является спектром поглощения цели в местоположении цели.
Процессор может быть сконфигурирован с возможностью обрабатывать частотный спектр спектра поглощения и, тем самым, идентифицировать присутствие вещества в цели и/или определять концентрацию вещества в цели.
Процессор одного варианта осуществления оптического химического анализатора (например, любого из тех, что описаны выше) также может быть сконфигурирован с возможностью обнаруживать изменение в присутствии требуемого вещества в местоположении цели на основе частотного спектра второй величины излучения (или в случае оптического химического анализатора, включающего в себя спектрометр поглощения, на основе спектра поглощения) и выводить сигнал присутствия вещества, когда вещество присутствует.
Например, в случае, в котором один вариант осуществления оптического химического анализатора смонтирован на газопроводе, процессор может быть сконфигурирован с возможностью обнаруживать присутствие загрязняющего вещества (гликолей, метанола, аминов, газоконденсатов или компрессорного масла), или присутствие загрязняющего вещества выше предварительно определенной концентрации, на основе частотного спектра. Если загрязняющее вещество присутствует или присутствует выше предварительно определенной концентрации, то модуль обнаружения цели может выводить сигнал присутствия вещества. Сигнал присутствия вещества может принимать любую подходящую форму, но в одном варианте осуществления может быть сигналом предупреждения, обеспечиваемым в удаленный терминал 66, показанный на Фиг. 5. Сигнал предупреждения может информировать пользователя, что внутри газопровода присутствует загрязняющее вещество, чтобы использование газопровода могло приостанавливаться, или чтобы любые компоненты, прикрепленные к трубопроводу или обеспечиваемые трубопроводом, которые могут быть повреждены загрязняющими веществами, могли защищаться.
Любой из вариантов осуществления оптического химического анализатора, описанных выше, может работать, чтобы определять компоненты газовой или жидкой или твердой фазы при давлении технологического процесса в трубопроводе или сосуде.
Любой из вариантов осуществления оптического химического анализатора, описанных выше, может дополнительно включать в себя модуль обнаружения цели. Модуль обнаружения цели может быть сконфигурирован с возможностью обнаруживать изменение в присутствии требуемого класса цели в местоположении цели и выводить сигнал присутствия цели, когда присутствие требуемого класса цели обнаруживается. Модуль обнаружения цели может включать в себя любой подходящий датчик, чтобы обнаруживать любое подходящее требуемое изменение в присутствии требуемого класса цели в местоположении цели. Модуль обнаружения цели может быть сконфигурирован с возможностью обнаруживать присутствие жидкости (или увеличение в количестве присутствующей жидкости). Один вариант осуществления, включающий в себя такой модуль обнаружения цели, может включать в себя датчик глубины жидкости, как описывалось ранее. Контроллер датчика глубины жидкости может определять меру, показывающую глубину жидкости, и если присутствие жидкости обнаруживается посредством датчика глубины жидкости (или если глубина жидкости увеличивается выше предварительно определенного порога), то контроллер датчика глубины жидкости может выводить сигнал присутствия цели.
В некоторых вариантах осуществления оптического химического анализатора, которые включают в себя модуль обнаружения цели, оптический химический анализатор может быть сконфигурирован так, что, по меньшей мере, часть оптического химического анализатора входит во включенное состояние из выключенного состояния на основе сигнала присутствия цели, который выводится модулем обнаружения цели. Это из-за того, что, в некоторых вариантах осуществления, нет необходимости идентифицировать присутствие вещества (или концентрации вещества) в местоположении цели, пока подходящая цель не будет располагаться в местоположении цели. Примеры упомянутой, по меньшей мере, части оптического химического анализатора, которая входит во включенное состояние или выключенное состояние, могут включать в себя источник первой величины излучения и/или детектор.
Следовательно, упомянутая, по меньшей мере, часть оптического химического анализатора может держаться в выключенном состоянии до тех пор, когда модулем обнаружения цели будет выведен сигнал присутствия цели. Следовательно, упомянутая, по меньшей мере, часть оптического химического анализатора может держаться в выключенном состоянии, пока требуемый класс цели либо не присутствует в местоположении цели, или присутствует в степени, меньшей, чем предварительно определенная величина. Это может быть предпочтительным в некоторых применениях.
Например, минимизация объема оптического химического анализатора, который находится во включенном состоянии, пока никакая достаточная цель не присутствует, будет уменьшать потребление энергии оптического химического анализатора, так как упомянутая, по меньшей мере, часть оптического химического анализатора не будет питаться энергией без необходимости, пока достаточная цель не присутствует в местоположении цели. В дополнение, некоторые компоненты оптического химического анализатора могут иметь ограниченный рабочий срок службы. Например, источник излучения, такой как лазер, который формирует часть оптического химического анализатора, может работать только в течение фиксированного количества часов. В этом случае, посредством помещения такого компонента во включенное состояние, только когда достаточная цель присутствует в местоположении цели, рабочее время жизни этого компонента может максимизироваться.
В других вариантах осуществления, модуль обнаружения цели может принимать любую подходящую форму. Например, модуль обнаружения цели может включать в себя основывающуюся на времени пролета систему измерения расстояния. Основывающаяся на времени пролета система измерения расстояния может измерять расстояние до поверхности жидкости внутри сосуда и может выводить сигнал присутствия цели, когда расстояние, измеренное посредством системы измерения расстояния, показывает глубину жидкости внутри сосуда, которая попадает внутрь предварительно определенного диапазона, например, превосходит предварительно определенную величину. Основывающаяся на времени пролета система измерения расстояния работает посредством измерения времени, которое затрачивается частью излучения, чтобы перемещаться на некоторое расстояние, и затем, на основе известной скорости распространения части излучения, вычисления расстояния, пройденного упомянутой частью излучения. Например, основывающаяся на времени пролета система может быть сконфигурирована с возможностью измерять время, которое затрачивается частью излучения, излученной посредством излучателя, чтобы отражаться от поверхности жидкости внутри сосуда и приниматься приемником.
Сигнал присутствия цели в некоторых случаях может быть отсутствием сигнала. Например, в некоторых вариантах осуществления, модуль обнаружения цели может выводить сигнал, когда никакая цель не обнаруживается и модуль обнаружения цели может прекращать вывод сигнала, когда цель обнаруживается. В таком одном варианте осуществления, прекращение вывода сигнала модулем обнаружения может рассматриваться как сигнал присутствия цели.
Как показано на Фиг. 13, в некоторых вариантах осуществления, которые включают в себя как оптический химический анализатор, как описывалось ранее, так и датчик обнаружения жидкости, как описывалось ранее, оптический химический анализатор может включать в себя элемент 401 направления излучения, который сконфигурирован с возможностью направлять вторую величину излучения 206 в модуль SIFT оптического химического анализатора, и также направлять вторую величину излучения 80 обнаружения в компоновку датчика из датчика обнаружения жидкости. Если вторая величина излучения 206 и вторая величина излучения 80 обнаружения имеют разные длины волн, то элемент направления излучения может содержать дихроичный фильтр, который позволяет излучению длины волны одной из второй величины излучения и второй величины излучения обнаружения проходить через него, и который отражает излучение длины волны другой из второй величины излучения и второй величины излучения обнаружения.
Варианты осуществления любого из оптического химического анализатора, как описывалось ранее, или датчика глубины жидкости, как описывалось ранее, могут включать в себя устройство формирования изображений. Устройство формирования изображений может принимать любую подходящую форму и может в некоторых вариантах осуществления быть камерой. Устройство формирования изображений может быть сконфигурировано с возможностью вырабатывать изображение, по меньшей мере, части цели (в случае оптического химического анализатора) или, по меньшей мере, части местоположения распознавания глубины (в случае датчика глубины жидкости). В других вариантах осуществления устройство формирования изображений может быть сконфигурировано с возможностью вырабатывать изображение другой части сосуда, к которой оптический химический анализатор или датчик глубины жидкости прикреплен.
Оптический химический анализатор или датчик глубины жидкости может дополнительно включать в себя контроллер формирования изображений, который сконфигурирован с возможностью избирательно питать энергией устройство формирования изображений на основе сигнала детектора, вырабатываемого посредством детектора (в случае оптического химического анализатора), или на основе сигнала датчика, вырабатываемого посредством датчика (в случае датчика глубины жидкости).
Например, когда контроллер формирования изображений формирует часть оптического химического анализатора, контроллер формирования изображений может быть сконфигурирован так, что он питает энергией устройство формирования изображений, когда детектор оптического химического анализатора вырабатывает сигнал детектора, который показывает присутствие конкретного вещества (например, загрязняющего вещества) внутри сосуда, на котором оптический химический анализатор смонтирован. В другом примере, в котором датчик глубины жидкости включает в себя устройство формирования изображений, контроллер формирования изображений может быть сконфигурирован так, что он избирательно питает энергией устройство формирования изображений, когда сигнал датчика, вырабатываемый посредством датчика из датчика глубины жидкости, показывает присутствие жидкости внутри сосуда, или присутствие некоторой величины (глубины) жидкости внутри сосуда, которая превосходит предварительно определенную величину.
В некоторых вариантах осуществления оптического химического анализатора, оптический модуль может быть сконфигурирован с возможностью направлять первую величину излучения через летучее вещество (например, газ внутри газопровода). Первая величина излучения может передавать энергию в летучее вещество. Источник первой величины излучения и оптический модуль могут быть сконфигурированы так, что полная энергия и/или плотность энергии, передаваемая в летучее вещество от первой величины излучения, меньше, чем величина воспламенения. Величина воспламенения полной энергии и/или плотности энергии равняется полной энергии и/или плотности энергии, которую бы потребовалась передать в летучее вещество посредством первой величины излучения для того, чтобы первая величина излучения вызвала воспламенение летучего вещества. Следует принять во внимание, что является желательным для оптического химического анализатора, чтобы он был сконфигурирован так, чтобы первая величина излучения не вызывала воспламенение летучего вещества, когда он работает.
Аналогично, некоторые варианты осуществления датчика глубины жидкости могут быть такими, что источник излучения сконфигурирован с возможностью направлять первую величину излучения обнаружения через летучее вещество. Первая величина излучения обнаружения может передавать энергию в летучее вещество. Источник излучения может быть сконфигурирован так, что полная энергия и/или плотность энергии, передаваемая в летучее вещество от первой величины излучения обнаружения, меньше, чем величина воспламенения. Аналогичным образом тому, как описано ранее, величина воспламенения полной энергии и/или плотности энергии равняется полной энергии и/или плотности энергии, которую бы потребовалось передать в летучее вещество посредством первой величины излучения обнаружения для того, чтобы первая величина излучения обнаружения вызвала воспламенение летучего вещества. Следует принять во внимание, что является желательным для датчика глубины жидкости, чтобы он был сконфигурирован так, чтобы первая величина излучения обнаружения не вызывала воспламенение летучего вещества, когда он работает.
Некоторые варианты осуществления оптического химического анализатора или датчика глубины жидкости могут монтироваться на находящемся под давлением сосуде, таком как газопровод. В этих вариантах осуществления оптический химический анализатор или датчик глубины жидкости может включать в себя окно (как показано на Фиг. 3 и 4), через которое излучение из внешней области сосуда может проходить в сосуд и через которое излучение изнутри сосуда может проходить во внешнюю область сосуда. В некоторых применениях, вследствие присутствия газа внутри сосуда, на окне может формироваться конденсация. Это может быть неблагоприятным, так как конденсация может неблагоприятно влиять на прохождение излучения через окно.
Например, конденсация может отражать, поглощать и/или перенаправлять излучение, проходящее через окно. Например, в случае излучения комбинационного рассеяния, конденсация может ослаблять сигнал излучения комбинационного рассеяния, вырабатываемый посредством цели, и, тем самым, вызывать то, что оптический химический анализатор является неспособным корректно определять частотный спектр излучения комбинационного рассеяния, вырабатываемого посредством цели. В другом примере, конденсация может вызывать то, что путь второй величины излучения обнаружения изменяется, тем самым, потенциально вызывая ошибку в мере, показывающей глубину жидкости, определяемой посредством контроллера датчика глубины жидкости.
Один способ уменьшать величину конденсации, которая формируется на окне, состоит в том, чтобы включать туда нагреватель, который находится в тепловой связи с окном и который сконфигурирован с возможностью нагревать окно. В некоторых вариантах осуществления нагреватель может содержать нагревающую катушку, которая намотана вокруг части оптического химического анализатора датчика глубины жидкости, который находится в тепловой связи с окном. В других вариантах осуществления, может использоваться любой подходящий нагреватель, чтобы нагревать окно. Нагреватель может нагревать окно так, что температура окна больше, чем температура точки конденсации газа внутри газопровода, смежного с окном. Поднятие температуры окна выше точки конденсации газа уменьшает величину конденсации, которая формируется на окне, и, тем самым, ослабляет проблемы, описанные выше.
Однако, неожиданно, изобретатели обнаружили, что посредством размещения нагревателя в тепловой связи с окном и нагревания окна, это не достаточно решает проблему (то есть не достаточно удаляет конденсацию от окна). Причина для этого является следующей.
Было определено, что если нагреватель используется, чтобы нагревать окно, то нагреватель также может нагревать сосуд, на котором смонтированы оптический химический анализатор или датчик глубины жидкости. Посредством нагревания сосуда, нагреватель также увеличивает температуру газа внутри сосуда. Следовательно, это вызывает то, что температура точки конденсации газа поднимается. Поднятая точка конденсации газа означает, что нагревание, применяемое к окну, более не является достаточным, чтобы предотвращать формирование конденсации на окне.
Изобретателями было найдено следующее решение этой проблемы. Оптический химический анализатор или датчик глубины жидкости дополнительно включает в себя термический изолятор, который термически изолирует нагреватель от сосуда. Посредством термического изолирования нагревателя от сосуда, величина тепла, которая непреднамеренно передается от нагревателя к сосуду при нагревании окна, уменьшается. Посредством уменьшения величины тепла, которая передается от нагревателя к сосуду, газ внутри сосуда нагревается меньше. Следовательно, температура точки конденсации газа увеличивается меньше, тем самым, обеспечивая возможность нагревателю уменьшать величину конденсации, формируемой на окне.
В одном варианте осуществления, в котором оптический химический анализатор или датчик глубины жидкости включает в себя натрубный блок, который включает в себя окно и нагреватель, и в котором натрубный блок монтируется на сосуде в форме трубопровода, включающего в себя ответвительную трубу, термический изолятор может быть уплотнением (например, фенольным уплотнением или уплотнением типа VCS, обеспечиваемым компанией GPT, Denver, USA), монтируемым между натрубным блоком и ответвительной трубой. Например, в монтаже, показанном на Фиг. 3, фенольное уплотнение может размещаться между фланцевой частью 32 ответвительной трубы и фланцевым элементом 26. В других вариантах осуществления, может использоваться любой подходящий тепловой изолятор. Следует принять во внимание, что, в других вариантах осуществления, термический изолятор может быть сформирован из любого подходящего материала.
Другой вариант осуществления, который обеспечивает возможность уменьшать величину конденсации, которая формируется на окне, описывается в отношении Фиг. 13a.
Фиг. 13a показывает схематический вид части оптического химического анализатора и/или датчика глубины жидкости согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Корпус 20 натрубного блока оптического химического анализатора и/или датчика глубины жидкости монтируется на газопроводе 10 через ответвительную трубу 18. Сборка 400 нагревателя и сборка 402 двух блочных и выпускного клапанов располагаются между корпусом 20 и ответвительной трубой 18. Окно 30b действует как гидравлическое уплотнение, которое отделяет натрубный блок 16 от газа внутри газопровода 10 (и, следовательно, ответвительной трубы и сборки двух блочных и выпускного клапанов). Как описывалось ранее, окно 30b может быть сформировано из любого подходящего материала. В одном примере, окно 30b сформировано из c-вырезанного сапфира, который паяется в своем месте внутри металлического принимающего фланца 404.
Компоновка 400 нагревателя включает в себя нагреватель в форме ленточного нагревателя 406, который может обеспечиваться электрической энергией, чтобы увеличивать температуру ленточного нагревателя 406. Ленточный нагреватель 406 намотан вокруг принимающего фланца 404 и находится в термическом контакте с ним. Следовательно, если в ленточный нагреватель 406 подается питание, так что ленточный нагреватель увеличивает температуру, то тепло от ленточного нагревателя 406 проводится в принимающий фланец 404. Сапфир имеет относительно хорошие термические проводящие свойства и, как таковое, тепло, которое проводится от ленточного нагревателя 406 в принимающий фланец 404, после этого проводится в окно 30b, тем самым, увеличивая температуру окна 30b.
Сборка 400 нагревания также включает в себя элемент 408 изоляции. Элемент 408 изоляции формируется из теплового изолятора и окружает ленточный нагреватель 406 и принимающий фланец 404, тем самым, минимизируя величину тепла, которое проводится прочь от ленточного нагревателя 406 в направлении к корпусу 20 или газопроводу 10. Обеспечение нагревателя и изолирующего элемента может уменьшать величину конденсации, которая формируется на окне, как описывалось ранее. Работа сборки нагревателя является такой, как описывалось ранее.
Сборка нагревателя также включает в себя продувочный канал 410. Продувочный канал 410 обеспечивает возможность гидродинамической связи между стороной окна, самой близкой к газопроводу 10 (то есть стороной окна, которая обращена к текучей среде внутри газопровода), и атмосферой. Продувочный канал 410 проходит через принимающий фланец 404. Функционирование продувочного канала 410 описывается более подробно ниже.
Сборка 402 двух блочных и выпускного клапанов, которая располагается между ответвительной трубой 18 и натрубным блоком 16, включает в себя первый и второй основные клапаны 412 и 414 и выпускной клапан 416. Сборка 402 двух блочных и выпускного клапанов также включает в себя промежуточную камеру 418, которая находится между первым и вторым основными клапанами 412, 414 и выпускным клапаном 416. Первый основной клапан 412 управляет потоком текучей среды между промежуточной камерой 418 и окном 30b оптического химического анализатора и/или датчика глубины жидкости. Второй основной клапан 414 управляет потоком текучей среды между промежуточной камерой 418 и трубопроводом 10 через ответвительную трубу 18. Выпускной клапан 416 управляет потоком текучей среды между промежуточной камерой 418 и выпускным местоположением, таким как атмосфера. Хотя выпускное местоположение в этом варианте осуществления является атмосферой, в других вариантах осуществления выпускное местоположение может быть любым подходящим местоположением, имеющим газ под любым подходящим давлением.
Предполагается, что, в некоторых применениях, присутствие относительно мокрого атмосферного газа при высоком давлении (например, при, по существу, таком же давлении, что и газ внутри трубопровода 10) может давать результатом формирование конденсации на поверхности окна 30b, которая обращена к газу. Как описывалось ранее, формирование конденсации на окне может быть неблагоприятным, так как конденсация может неблагоприятно влиять на прохождение излучения через окно.
Было обнаружено, что обеспечение продувочного канала 410 может устранять или ослаблять эту проблему. Это может достигаться следующим образом.
В нормальном рабочем состоянии оптического химического анализатора и/или датчика глубины жидкости, продувочный канал 410 находится в нормальной конфигурации, в которой он закрыт посредством закрывающего элемента (не показан), например, клапана, который предотвращает течение текучей среды через продувочный канал 410, например, между атмосферой и окном 30b.
Если возникает конденсация (или предполагается, что может иметься атмосферный газ в смежной области с окном 30b, что может вести к формированию конденсации на окне), продувочный канал 410 может помещаться в открытую конфигурацию, в которой закрывающий элемент более не предотвращает поток текучей среды через продувочный канал 410 (например, между атмосферой и смежной областью с окном 30b). В случае, когда давление текучей среды, смежной с окном 30b, больше, чем давление текучей среды на другом конце продувочного канала 410 (например, атмосферное давление атмосферы), то текучая среда, смежная с окном 30b будет проходить через продувочный канал 410 из смежной области с окном 30b к другому концу продувочного канала 410 (например, атмосфере).
Таким образом, относительно мокрый атмосферный газ, смежный с окном 30b, будет удаляться из системы через продувочный канал 410, так что атмосферный газ более не будет смежным с окном 30b и будет заменяться на газ из газопровода. Вследствие того факта, что относительно мокрый атмосферный газ более не является смежным с окном 30b, это будет уменьшать или устранять любую конденсацию, которая может формироваться на окне 30b вследствие присутствия атмосферного газа. Как только атмосферный газ, по существу, удаляется из системы, продувочный канал 410 может возвращаться в его нормальную, закрытую конфигурацию.
В другом варианте осуществления относительно мокрый атмосферный газ, который присутствует в смежной области с окном 30b, может удаляться из системы другим способом. Ссылаясь на сборку 402 двух блочных и выпускного клапанов, в нормальной работе, как первый, так и второй основные клапаны 412 и 414 находятся в открытой конфигурации, так что имеется путь потока газа между трубопроводом 10 (через ответвительную трубу 18) и окном 30b. Это также позволяет излучению, которое проходит через окно 30b, проходить в сосуд (в этом случае трубопровод 10). Дополнительно, в нормальном рабочем состоянии сборки 402 двух блочных и выпускного клапанов, выпускной клапан 416 закрыт, так что не имеется никакой гидродинамической связи между промежуточной камерой 418 (и, следовательно, окном 30b) и выпускным местоположением.
Если на окне 30b обнаруживается конденсация (или если предполагается, что относительно мокрый атмосферный газ может присутствовать в смежной области с окном 30b, потенциально ведя к формированию конденсации на окне 30b), то сборка 402 двух блочных и выпускного клапанов может использоваться, чтобы удалять атмосферный газ, смежный с окном 30b, из системы следующим образом.
Второй основной клапан 414 может помещаться в закрытую конфигурацию, так что не имеется, по существу, никакого пути потока текучей среды между промежуточной камерой 418 и сосудом (в этом случае трубопроводом 10). Выпускной клапан 416 может затем помещаться в открытую конфигурацию, так что имеется путь потока газа между выпускным местоположением и промежуточной камерой 418. Продувочный канал 410 также помещается в открытую конфигурацию (то есть конфигурацию, в которой закрывающий элемент (не показан) не предотвращает поток текучей среды между смежной областью с окном 30b и другим концом продувочного канала 410), так что имеется путь потока текучей среды между смежной областью с окном 30b и другим концом гидродинамического канала 410.
Источник относительно сухого газа, который не будет давать результатом формирование конденсации на окне 30b, соединен с одним из выпускного местоположения или конца гидродинамического канала 410, другого, нежели тот, который располагается смежно с окном 30b. Упомянутый источник газа сконфигурирован так, что он находится при более высоком давлении, чем давление в другом из выпускного местоположения и конца гидродинамического канала 410, другого, нежели тот, который является смежным с окном 30b. Следовательно, относительно сухой газ из упомянутого источника газа будет протекать через выпускной клапан 416, промежуточную камеру 418, первый основной клапан 412 и гидродинамический канал 410. Направление потока газа будет определяться тем, в каком местоположении источник газа подсоединен к системе.
Поток газа из источника газа либо в выпускное местоположение, либо в конец гидродинамического канала 410, другой, чем тот, который является смежным с окном 30b, будет давать результатом то, что любой относительно мокрый атмосферный газ, который присутствует в смежной области с окном 30b, будет удаляться из системы и заменяться на относительно сухой газ из источника газа. Следовательно, конденсация, вызываемая атмосферным газом на окне 30b, будет уменьшаться и/или устраняться. Как только относительно мокрый атмосферный газ удаляется из системы, так что он более не является смежным с окном 30b, сборка 402 двух блочных и выпускного клапанов и гидродинамический канал 410 могут возвращаться в их нормальные рабочие состояния.
Следует принять во внимание, что некоторые варианты осуществления включают в себя сборку нагревателя, продувочный канал и сборку двух блочных и выпускного клапанов, как показано. Другие варианты осуществления могут не включать в себя сборку нагревателя и/или сборку двух блочных и выпускного клапанов. Продувочный канал, сборка нагревателя, и/или сборка двух блочных и выпускного клапанов, как описано выше, могут включаться в любой из вариантов осуществления оптического химического анализатора и/или датчика глубины жидкости, как описано в этом документе.
Ссылаясь еще раз на Фиг. 11, описанные ранее оптические химические анализаторы включают в себя оптический модуль, который сконфигурирован с возможностью направлять первую величину излучения 200 так, что первая величина излучения проходит через свободное пространство непосредственно перед падением на цель. Отметим, что если - как показано на Фиг. 11 - цель является жидкостью, сформированной внутри газопровода 10, то первая величина излучения 200 будет проходить через свободное пространство (в этом случае текучую среду в форме газа, хотя она может быть любой подходящей текучей средой) непосредственно перед тем, как она падает на целевую жидкость 14. Подобным образом, оптический модуль сконфигурирован так, что вторая величина излучения 206 от цели (в этом случае жидкости 14) проходит через свободное пространство (то есть текучую среду - в этом случае газ, хотя в других вариантах осуществления она может быть любой подходящей текучей средой) до того, как вторая величина излучения обеспечивается в модуль SIFT.
Текучая среда (которая в этом случае является газом) располагается непосредственно смежно с целью (жидкостью 14).
В некоторых применениях может быть предпочтительным быть способными определять присутствие или размер любой жидкости или аэрозоля макрочастиц, который присутствует внутри газа внутри сосуда, на котором оптический химический анализатор или датчик глубины жидкости смонтирован.
Например, в некоторых применениях (например, если сосуд является газопроводом) хотя газ может содержать загрязняющее вещество (например, жидкость), если загрязняющее вещество не находится в форме аэрозоля, оно может не вызывать какое-либо значительное повреждение некоторым типам механизмов, прикрепленных к трубопроводу. Например, если жидкостные загрязняющие вещества присутствуют, но собраны в нижней части газопровода и не транспортируются с потоком газа, то является маловероятным, что жидкостные загрязняющие вещества будут достигать какие-либо механизмы через газопровод и, поэтому, присутствие такого жидкостного загрязняющего вещества может не быть причиной немедленного беспокойства. Следовательно, некоторые варианты осуществления оптического химического анализатора могут включать в себя модуль обнаружения аэрозоля, чтобы обнаруживать, когда присутствуют аэрозоли. Если аэрозоли обнаруживаются, то это может служить в качестве предупреждения, что аэрозоли могут неблагоприятно влиять на механизмы, которые соединены с трубопроводом.
Модуль обнаружения аэрозоля сконфигурирован с возможностью сравнивать интенсивность величины излучения, которая направляется на текучую среду (например, газ внутри газопровода), перед тем, как она падает на текучую среду, с интенсивностью части величины излучения, которая рассеивается обратно текучей средой. Посредством сравнения интенсивности излучения, перед тем, как оно падает на текучую среду, и интенсивности излучения, которое рассеивается обратно текучей средой, может быть возможным обеспечивать меру, показывающую количество аэрозоля внутри текучей среды. Например, в некоторых вариантах осуществления, посредством сравнения интенсивности излучения, перед тем, как оно падает на текучую среду, и величины излучения, которая рассеивается обратно текучей средой, может быть возможным обеспечивать индикацию в отношении присутствия или в иных отношениях аэрозоля внутри текучей среды.
В некоторых вариантах осуществления величина излучения, которая направляется на текучую среду, может быть первой величиной излучения (то есть величиной излучения, которая вырабатывается посредством источника излучения оптического химического анализатора). В некоторых вариантах осуществления величина излучения, которая направляется на текучую среду, может быть первой величиной излучения обнаружения, которая вырабатывается посредством источника излучения датчика глубины жидкости.
В некоторых вариантах осуществления модуль обнаружения аэрозоля может включать в себя независимый источник излучения (показанный как 410 на Фиг. 5), который направлен в текучую среду. Модуль обнаружения аэрозоля измеряет величину излучения, которая рассеивается текучей средой, с использованием детектора (показанного как 412 на Фиг. 5). Детектор обеспечивает сигнал детектора в микропроцессор 52, который показывает величину излучения рассеяния, падающего на детектор. Посредством измерения величины излучения, направленной в текучую среду, которая рассеивается текучей средой, процессор 52 может определять меру, показывающую количество аэрозоля, присутствующего в текучей среде, как описано ниже.
Дополнительно, в некоторых вариантах осуществления, модуль обнаружения аэрозоля может измерять только величину излучения, которая рассеивается текучей средой, с использованием детектора). То есть можно сказать, в этих вариантах осуществления, модуль обнаружения аэрозоля не измеряет интенсивность излучения, которое направляется в текучую среду.
Присутствие жидкости или аэрозоля макрочастиц внутри газа, содержащегося внутри сосуда, будет увеличивать величину рассеяния по сравнению с тем, когда не имеется никакой жидкости или аэрозоля макрочастиц, присутствующих внутри газа вовсе. Это из-за того, что жидкость и аэрозоли макрочастиц вызывают более большое рассеяние света, чем газ. Имеется много факторов, которые вносят вклад в величину рассеяния, вырабатываемого жидкостью или аэрозолем макрочастиц, и они не описываются подробно, так как это не является важным в понимании функционирования модуля обнаружения аэрозоля. Примеры факторов, которые могут оказывать влияние на величину рассеиваемого аэрозолем излучения, включают в себя количественную концентрацию аэрозольных частиц, площадь поверхности аэрозольных частиц, вещество аэрозольных частиц и массу аэрозольных частиц.
Модуль обнаружения аэрозоля может работать одним из двух разных способов. В первом способе величина излучения, которая направляется на текучую среду, фокусируется в направлении к фокусному положению в нижней части сосуда (например, трубопроводе). В этом случае имеется относительно большой путь, который рассеянное обратно излучение должно проходить от фокусного положения через текучую среду, чтобы обнаруживаться. В этом случае, присутствие аэрозоля будет вызывать уменьшение в измеренной интенсивности части величины излучения, которая рассеивается обратно текучей средой. Это из-за того, что, излучение, которое рассеивается обратно в фокусном положении излучения, должно проходить назад в детектор для обнаружения рассеянной обратно величины излучения через текучую среду, содержащую аэрозоль, который вызывает рассеяние. Излучение, которое рассеивается обратно, может дополнительно рассеиваться посредством аэрозоля внутри текучей среды, так что меньше излучения, которое рассеивается обратно текучей средой в фокусном положении, достигает детектор и, поэтому может измеряться.
В модуле обнаружения аэрозоля, работающем вторым способом, величина излучения, которая направляется на текучую среду, фокусируется в фокусном положении, которое находится приблизительно в середине сосуда (например, газопровода), так что имеется относительно короткий путь для части величины излучения, которая рассеивается обратно в фокусном положении, чтобы перемещаться через текучую среду для обнаружения. Увеличение в присутствии аэрозоля внутри текучей среды будет вызывать то, что больше излучения рассеивается обратно в фокусном положении. Вследствие того факта, что рассеянное обратно излучение должно проходить только относительно короткое расстояние через текучую среду, содержащую рассеивающий аэрозоль, относительно большая часть рассеянного обратно излучения достигает детектор. Следовательно, для детектора аэрозоля, работающего таким способом (то есть, где величина излучения, направленная на текучую среду, падает в положении, которое находится приблизительно в центре сосуда), увеличение в аэрозоле внутри текучей среды будет давать результатом увеличение в измеренной интенсивности рассеянного обратно излучения.
В описанных ранее детекторах аэрозоля, фокусное положение величины излучения, направленной на текучую среду, в первом способе имеет более длинную длину пути через текучую среду к детектору, который обнаруживает интенсивность величины излучения, которая рассеивается обратно, по сравнению с длиной пути через текучую среду между фокусным положением излучения, направленного на текучую среду, во втором способе, и детектором.
Фиг. 14 показывает график процентного увеличения в обнаруженной интенсивности рассеянного обратно излучения I по отношению к увеличению в массе частицы M, измеренной в мкг. Процентное увеличение в интенсивности рассеянного обратно излучения как функция увеличения в массе частицы показано для трех разных диаметров аэрозольной частицы.
310 показывает процентное изменение в сигнале для 0,5 мкм частиц. 312 показывает процентное изменение в сигнале для 1 мкм частиц. 314 показывает процентное изменение в сигнале для 10 мкм частиц.
Результаты, показанные на графике из Фиг. 14, были получены с использованием модуля аэрозоля, который направляет величину излучения в текучую среду (в этом случае газ) так, что фокусное положение находится приблизительно в середине сосуда. Можно видеть, что либо изменение в размере частиц аэрозоля, или изменение в массе аэрозольных частиц может вырабатывать изменение в интенсивности рассеянного обратно излучения, которая может измеряться.
Контроллер может быть сконфигурирован с возможностью определять меру, показывающую количество аэрозоля, присутствующего внутри газа. Контроллер может быть сконфигурирован с возможностью выводить сигнал, который является функцией меры, показывающей количество аэрозоля, присутствующего внутри газа. Например, контроллер может выводить сигнал присутствия аэрозоля, если обнаруженная величина рассеянного обратно излучения больше, чем предварительно определенное значение (если величина излучения, направленная в текучую среду, сфокусирована приблизительно в центре сосуда и текучей среды) или ниже предварительно определенного значения (если величина излучения, направленная на текучую среду, сфокусирована на части сосуда/текучей среды, которая находится рядом с нижней частью сосуда).
В описанных ранее вариантах осуществления оптического химического анализатора и датчика глубины жидкости сосуд является газопроводом и цель является жидкостным загрязняющим веществом, присутствующим внутри газопровода. Следует принять во внимание, что в других вариантах осуществления, сосуд может быть любым подходящим сосудом, выполненным с возможностью удержания текучей среды. Текучая среда может быть любой подходящей текучей средой. Например, текучая среда может быть жидкостью, например, в трубопроводе жидкости. Цель может быть газом или жидкостью.
В некоторых вариантах осуществления сосуд может быть баллоном текучей среды, и текучая среда может быть жидкостью или газом. Жидкость или газ может вводиться в баллон текучей среды и впоследствии анализироваться посредством оптического химического анализатора.
В некоторых вариантах осуществления оптический химический анализатор и/или датчик глубины жидкости может быть сконфигурирован так, что цель и/или местоположение распознавания глубины располагаются в части компоновки фильтра. Компоновка фильтра может располагаться в канале текучей среды и может быть сконфигурирована с возможностью уменьшать величину загрязняющего вещества внутри текучей среды, протекающей через канал текучей среды. Например, цель и/или местоположение распознавания глубины могут располагаться на поверхности фильтрующего элемента компоновки фильтра, при этом фильтрующий элемент сконфигурирован с возможностью удалять, по меньшей мере, часть загрязняющего вещества внутри текучей среды по мере того, как текучая среда протекает через компоновку фильтра. В некоторых вариантах осуществления, текучая среда может быть жидкостью, тогда как в других она может быть газом. Загрязняющее вещество может быть одним из твердого тела, жидкости или газа. Датчик глубины жидкости может быть сконфигурирован так, что мера, показывающая глубину жидкости, которая определяется посредством датчика глубины жидкости, показывает уровень загрязняющего вещества, присутствующего внутри фильтра. Например, в некоторых вариантах осуществления, чем больше мера, показывающая глубину жидкости, тем больше уровень загрязняющего вещества, присутствующего внутри фильтра. В некоторых вариантах осуществления может быть желательным определять уровень загрязняющего вещества, присутствующего внутри фильтра, так как, в таких вариантах осуществления, производительность фильтра может уменьшаться, если уровень загрязняющего вещества внутри фильтра является слишком высоким. Например, если уровень загрязняющего вещества внутри фильтра является слишком высоким, поток текучей среды через фильтр может уменьшаться нежелательным образом. Следовательно, если датчик глубины жидкости измеряет то, что уровень загрязняющего вещества внутри фильтра выше предварительно определенного значения, он может обеспечивать индикацию, что фильтр требует замены, чтобы поддерживать функционирование фильтрации. В некоторых вариантах осуществления загрязняющее вещество может включать в себя твердое тело и, следовательно, детектор глубины жидкости будет определять меру, показывающую глубину упомянутого твердого тела.
Если цель оптического химического анализатора располагается в части компоновки фильтра, то может быть возможным определять то, присутствует ли конкретное вещество внутри загрязняющего вещества, и/или идентифицировать каким веществом является загрязняющее вещество.
В некоторых вариантах осуществления оптический химический анализатор и/или датчик глубины жидкости может быть сконфигурирован так, что цель и/или местоположение распознавания глубины располагаются в части дренажного бачка. Дренажный бачок является частью сосуда, как, например, канала, например, трубопровода, который располагается в самой низкой точке сосуда. Вследствие того факта, что дренажный бачок находится в самой низкой точке сосуда, более плотные компоненты текучей среды внутри сосуда будут собираться, в силу силы тяжести, в дренажном бачке. Если текучая среда внутри сосуда является газом, более плотные компоненты могут быть относительно плотной частью газа, жидкости или твердого тела. Если текучая среда внутри сосуда является жидкостью, более плотные компоненты могут быть относительно плотной частью жидкости или твердого тела. Конфигурирование оптического химического анализатора и/или датчика глубины жидкости так, что цель и/или местоположение распознавания глубины располагаются в части дренажного бачка, может обеспечивать возможность оптическому химическому анализатору идентифицировать более плотные компоненты, которые собираются в дренажном бачке, и/или обеспечивать возможность датчику глубины жидкости вырабатывать измерение, показывающее глубину (и, следовательно, величину) более плотных компонентов, которые собрались в дренажном бачке. В некоторых вариантах осуществления, более плотные компоненты могут быть загрязняющими веществами.
В некоторых вариантах осуществления оптического химического анализатора, цель может быть текучей средой промышленного процесса (то есть текучей средой, которая используется как часть промышленного процесса). Текучая среда промышленного процесса может держаться внутри сосуда под повышенным давлением, например, давлением выше приблизительно двух или трех атмосфер.
В описанных ранее вариантах осуществления датчика глубины жидкости и оптического химического анализатора, каждый имеет включенные туда натрубный блок, который прикреплен к сосуду, и внетрубный блок, дистанционный по отношению к натрубному блоку, который не прикреплен к сосуду. В некоторых вариантах осуществления все из компонентов могут содержаться внутри натрубного блока.
Дополнительно, в описанных вариантах осуществления, некоторые компоненты датчика глубины жидкости и некоторые компоненты оптического химического анализатора располагаются в натрубном блоке или внетрубном блоке. Следует принять во внимание, что в других вариантах осуществления, компоненты датчика обнаружения жидкости или оптического химического анализатора, которые располагаются внутри внетрубного блока или натрубного блока, могут изменяться. То есть можно сказать, некоторые из компонентов, показанные расположенными во внетрубном блоке, могут располагаться в натрубном блоке и наоборот. В некоторых вариантах осуществления может не быть никакого внетрубного блока. Например, в некоторых вариантах осуществления, оптический химический анализатор может располагаться полностью в натрубном блоке.
Описанные варианты осуществления оптического химического анализатора и датчика глубины жидкости все включают в себя, по меньшей мере, одно оптическое волокно, через которое проходят части излучения. В других вариантах осуществления, по меньшей мере, некоторые части излучения, которые проходят через упомянутое, по меньшей мере, одно оптическое волокно в описанных вариантах осуществления, могут проходить через свободное пространство. В некоторых вариантах осуществления, все из частей излучения, которые проходят через упомянутое, по меньшей мере, одно оптическое волокно в описанных вариантах осуществления, могут проходить через свободное пространство. То есть можно сказать, некоторые варианты осуществления оптического химического анализатора и/или детектора глубины жидкости могут не содержать волоконную оптику.
Вследствие того факта, что датчик глубины жидкости и оптический химический анализатор оба располагаются вне сосуда, на котором они смонтированы, датчик глубины жидкости и оптический химический анализатор не вторгаются в сосуд. Например, датчик глубины жидкости и оптический химический анализатор не включают в себя зонд, который вторгается в сосуд. Это может быть предпочтительным в некоторых применениях. Например, в случае, когда датчик глубины жидкости или оптический химический анализатор смонтированы на газопроводе, может быть предпочтительным, что никакая часть оптического химического анализатора или датчика глубины жидкости не выступает в трубопровод, так как, иногда, через трубопровод могут перемещается большие объекты. Примером такого объекта, который может перемещается через трубопровод, является очистной скребок. Если такой объект перемещается через газопровод, в то время как часть оптического химического анализатора или датчика глубины жидкости выступает в газопровод, то такие выступающие части могут уничтожаться скребком или могут иным образом создавать препятствие скребку.
В описанных вариантах осуществления, в которых датчик глубины жидкости и оптический химический анализатор смонтированы во внешней области по отношению к сосуду, различные части излучения проходят через одиночное окно. В других вариантах осуществления это может не быть случаем. Различные части излучения, требуемые оптическим химическим анализатором и/или датчиком глубины жидкости, могут проходить через любое подходящее количество окон.
В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, часть датчика глубины жидкости и/или оптического химического анализатора может монтироваться внутри ответвительной трубы или внутри трубопровода. Например, некоторые варианты осуществления датчика глубины жидкости, которые включают в себя опорный канал, могут быть сконфигурированы так, что часть опорного канала располагается внутри сосуда (например, на той же стороне окна, что и текучая среда, содержащаяся в сосуде). Этим способом, четвертая и/или пятая величина излучения, которые формируют (формирует) часть опорного канала, проходят через текучую среду внутри сосуда и, поэтому, затрагиваются температурой текучей среды внутри сосуда. Как таковой, опорный канал может использоваться контроллером, чтобы корректировать вывод датчика глубины жидкости, чтобы компенсировать влияние температуры сосуда и/или текучей среды внутри сосуда на меру, показывающую глубину жидкости. В других вариантах осуществления датчика глубины жидкости и/или оптического химического анализатора, может быть желательным, чтобы окно, через которое проходят релевантные величины излучения по мере того, как они входят в/выходят из сосуда, было настолько малым, насколько возможно. По этой причине, такие варианты осуществления могут включать в себя собирающий элемент (такой как собирающая линза), который располагается внутри сосуда и который сконфигурирован с возможностью собирать, по меньшей мере, одну из величин излучения, которая проходит через окно, чтобы уменьшать ширину излучения так, что она может проходить через окно уменьшенного размера.
Хотя варианты осуществления оптического химического анализатора, здесь описанные, относятся, в общем, к определению присутствия жидкостного вещества в местоположении цели и/или определению концентрации жидкостного вещества в местоположении цели; в других вариантах осуществления вещество в местоположении цели может быть газом или твердым телом.
Хотя варианты осуществления датчика глубины, здесь описанные, относятся, в общем, к определению меры, показывающей глубину жидкости в местоположении распознавания глубины, в других вариантах осуществления это не обязательно должно быть так. Например, в некоторых вариантах осуществления датчик глубины может быть сконфигурирован с возможностью определять меру, показывающую глубину твердого тела в местоположении распознавания глубины. В некоторых примерах твердое тело может транспортироваться в (например, быть диспергированным в) текучей среде. Твердое тело может быть диспергированным внутри газа в форме аэрозоля или твердое тело может быть диспергированным в жидкости в форме золя. Твердое тело, диспергированное в текучей среде, может осаждаться на поверхности. В одном примере твердое тело является гидратом, диспергированным в природном газе. Если поверхность располагается в местоположении распознавания глубины датчика глубины согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, то датчик глубины может определять меру, показывающую глубину осажденного твердого тела на поверхности.
Оптический химический анализатор или датчик глубины жидкости может быть подходящим для использования, когда местоположение цели или местоположение распознавания глубины располагается в среде высокого давления. То есть можно сказать, при использовании, местоположение цели или местоположение распознавания глубины может располагаться в среде высокого давления. В вариантах осуществления оптического химического анализатора, в которых цель располагается внутри сосуда, среда внутри сосуда, при использовании, может быть средой высокого давления. Подобным образом, в вариантах осуществления датчика глубины жидкости, в которых жидкость (мера глубины, которой должна определяться) располагается внутри сосуда, среда внутри сосуда, при использовании, может быть средой высокого давления.
Среда высокого давления может быть средой, в которой давление больше, чем приблизительно 3 бара и меньше, чем приблизительно 300 бар. В других вариантах осуществления давление может быть больше, чем приблизительно 300 бар. В некоторых вариантах осуществления давление может быть приблизительно 70 бар.
Оптический химический анализатор или датчик глубины жидкости может располагаться так, что, при использовании, оптический химический анализатор или датчик глубины жидкости располагается в отдаленном положении (или отдаленном местоположении) по отношению к местоположению цели или местоположению распознавания глубины. В некоторых вариантах осуществления отдаленное положение может быть таким, что, при использовании, никакой компонент (например, оптический компонент, через который проходят первая и вторая величины излучения) оптического химического анализатора или датчика глубины жидкости не располагается в пределах приблизительно 30 см от местоположения цели или местоположения распознавания глубины. Например, в вариантах осуществления оптического химического анализатора или датчика глубины жидкости, которые включают в себя окно, как описывалось ранее, окно может располагаться более, чем приблизительно 30 см от местоположения цели или местоположения распознавания глубины при использовании. Дополнительно варианты осуществления оптического химического анализатора могут располагаться так, что никакая часть оптического модуля (например, часть оптического модуля, через которую проходят первая и вторая величины излучения) не располагается, при использовании, в пределах приблизительно 30 см от местоположения цели.
Другими словами, оптический химический анализатор может быть сконфигурирован так, что располагается в отдаленном положении по отношению к местоположению цели, так что расстояние вдоль пути пучка (то есть пути, вдоль которого пучок излучения перемещается при использовании) каждой из первой и второй величин излучения между местоположением цели и любым оптическим компонентом оптического модуля, через который проходят первая или вторая величины излучения при использовании, больше, чем приблизительно 30 см. Это обеспечивает возможность оптическому химическому анализатору или датчику глубины жидкости согласно одному варианту осуществления изобретения располагаться на некотором расстоянии от местоположения цели или местоположения распознавания глубины. Это может быть предпочтительным в различных применениях. Например, в случае, когда местоположение цели или местоположение распознавания глубины находится в нижней части газопровода значительного диаметра, тот факт, что оптический химический анализатор или датчик глубины жидкости может располагаться в отдаленном положении по отношению к нижней части газопровода, означает, что оптический химический анализатор или датчик глубины жидкости может располагаться во внешней области верхней части газопровода, так что газопровод внутри не загромождается.
В вышеописанных вариантах осуществления, сосуд или газопровод может проводить природный газ или любой другой подходящий газ, например, сжатый воздух.