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Die Erfindung betrifft eine Überwachungseinrichtung für Abwässer oder dergleichen trübe Medien nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Überwachungseinrichtung ist beispielsweise aus der
DE 199 49 096 C2 bekannt, aus der die Verwendung einer Fotosondenanordnung und eine der Fotosonde zugeordneten Lichtquelle zu entnehmen ist, mit der die Trübung des Abwassers überwacht wird. Die bekannte Überwachung dient insbesondere dazu, anhand der Trübung des Abwassers ein Meldesignal auch für den Fall zu erhalten, dass eine Störung im bakteriellen Gleichgewicht eingetreten ist. Allerdings kann die damit zu überwachende Trübung verschiedene Ursachen haben und verschiedene Untersuchungen oder Abhilfemaßnahmen erfordern. Überdies ist die Anwendung der vorbekannten Fotosonde nicht ohne Weiteres auf sonstige trübe Medien übertragbar.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Überwachungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die zwar auch zumindest in wesentlichen Bestandteilen auf marktgängige und erprobte fotooptische Systeme zurückzugreifen erlaubt, aber eine Auswertung mit breiterem Aufschluss und unterschiedlichen Überwachungszielen ermöglicht und auch neben Abwässern sonstige trübe Medien bis hin zu Gas- oder Rauchmedien einzubeziehen erlaubt.
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Gemäß der Erfindung wird dieses Aufgabe von einer Überwachungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgehend mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Der Einsatz eines digitalen Kamera-Systems mit einem Bildspeicher für Einzelbilder, der in geläufiger Weise zur weiteren Verarbeitung ausgelesen werden kann, eröffnet die Möglichkeit einer Signalanalyse nach weitgehend wählbaren Kriterien. Die zu erzielenden Bildsignale gehen weit über die mit den vorbekannten Fotosonden zu erzielenden Trübungs- bzw. Helligkeitswerte hinaus mit Aufschluss über die Farben, über grafische Bildstrukturen, Kontrastverläufe und Kontrastschwankungen, wobei diese in den Bildsignalen enthaltenen Informationen für sich und auch in Kombination auswertbar sind.
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Die damit eröffnete komplexe Auswertung muss allerdings nicht zu Lasten der Handhabbarkeit gehen, indem etwa in der Auswerteeinrichtung Vergleichskriterien im Einzelnen zu programmieren und installieren sind. Eine für die Praxis einfache Methode besteht darin, Bildsignal-Muster in der Auswerteeinrichtung zu speichern. Diese Bildsignal-Muster können in der Praxis durch standardisierte Bilder in einer vergleichbaren Anordnung der Kamera im Abwasser oder einem trüben Medium gewonnen werden, um entsprechende Muster-Fälle abzuspeichern.
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Solche Bildsignal-Muster können für einen vorgegebenen Bereich von Anwendungsfällen mit der Auswerteeinrichtung vorn vornherein mitgeliefert werden. Stattdessen oder zusätzlich kann aber auch die Auswerteeinrichtung mit einem ”Lernprogramm” versehen werden, so dass der Anwender bei Eintritt einer besonderen Überwachungssituation oder auch bei Herbeiführung einer zu überwachenden Zusammensetzung des Abwassers oder des sonstigen trüben Mediums ein Bildsignal generiert, das nachfolgend zur Überwachung als Bildsignal-Muster bereitsteht.
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Die Überwachungseinrichtung sieht auch zumindest eine Lichtquelle in einer zum Sensor festgelegten Position vor, um von der Tageslichtsituation oder einem beliebigen Fremdlichteinfall unabhängig zu sein und die Aufnahmesituation von der Beleuchtung her zu standardisieren. Dabei kann eine einzelne Lichtquelle gewählt werden, ebenso können aber auch mehrere Lichtquellen in gegen der Kamera festgelegter Position und vorzugsweise in einer bestimmten vorgegebenen Verteilung vorgegeben werden. Grundsätzlich können die Lichtquellen so angeordnet werden, dass sie in einer Gegenüberstellung zur Kamera das Abwasser bzw. das Medium durchleuchten und dabei im Bildfeld der Kamera angeordnet sind. Es ist auch möglich, die Lichtquelle einzeln oder mehrere Lichtquellen im Bildfeld der Kamera anzuordnen und ggf. die Lichtquellen dabei zur Kamera hin abzuschirmen. Vorzugsweise werden jedoch mehrere Lichtquellen außerhalb des Bildfeldes der Kamera angeordnet, um in das zu überwachende Medium hineinzuleuchten und das vor allem trübungsabhängige Bild durch Reflektionen zu erzielen.
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Unter praktischen Aspekten werden Kamera und Lichtquellen zu einer gehäusefesten Einheit verbunden, so dass die Bauform der Kamera und der Lichtquellen körperlich zusammenzufassen ist und auch in der Stromversorgung auf kurze Anschlüsse reduziert werden kann, wobei eine gemeinsame Steuerung der Kameraauslösung zur Überwachung in vorgegebenen Zeitabschnitten auch eine Synchronisierung der Lichtquellen zu einer kurzzeitigen Lichtabgabe dienen kann.
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Die Initiierung eines Überwachungssignals mit Abgabe von Lichtimpulsen und Auslösung einer Kameraaufnahme kann dabei wählbar vorgegeben werden, so dass je nach Überwachungsbedarf grundsätzlich eine Aufnahmefolge in einem sekündlichen, minütlichen, stündlichen oder auch täglichen Folge oder auf externe Auslösung möglich ist.
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Zweckmäßig kann die Kamera in einem wasserdichten Kameragehäuse untergebracht werden, aus dem dann zumindest ein Kabel wasserdicht herauszuführen ist. Ein solches Kabel kann sich auf die Zuführung elektrischer Energie beschränken, wenn alle Auswertefunktionen mit in das wasserdichte Kameragehäuse hineinverlegt sind und auch das Ausgabesignal drahtlos gesendet wird. Grundsätzlich kann aber auch die Auswerteeinrichtung von der Kamera weg über ein Kabel aus dem Abwasser oder dem Medium herausverlegt sein.
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Das aufgrund der Überwachung der Überwachungseinrichtung zu erzielende Signal kann in einer Anzeige oder einem Alarmsignal resultieren, es kann aber auch als Steuersignal für Eingriffe in das Medium, insbesondere das Abwasser, ausgelegt und benutzt werden, so dass eine automatische Behandlung erzielt wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 ein Blockschaltbild einer komplexen Überwachungseinrichtung für Abwasser,
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2 Längsschnitt durch eine Überwachungseinrichtungs-Einheit mit einem wasserdichten Gehäuse, Kamera, Lichtquellen und Auswerteeinheit,
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In 1 ist schematisch in einem Blockschaltbild eine Überwachungseinrichtung für Abwasser bei einer Kleinkläranlage (KKA) dargestellt, wobei die Kleinkläranlage eine Messung des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB-Messung) in einer kamerabestückten Baueinheit 1 mit nachgeschalteter Auswertung 2 erstellt und das Ergebnis einer Zentraleinheit 3 zuführt. Die Baueinheit 1 mit der Kamera ist vorzugsweise im Abwasser gelagert, kann aber auch aus einer ”trockenen” Anordnung heraus in das Wasser hinein gerichtet sein. Die Auswertung 2 kann baulich mit der Baueinheit 1 innerhalb eines gemeinsamen Kameragehäuses angeordnet sein oder auch getrennt außerhalb des Wassers.
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Weiterhin wird die Kleinkläranlage mit Hilfe einer Schlammsonde 4 überwacht, die einen zangenartigen Messfühler 5 mit zwei Messschenkeln aufweist, zwischen denen eine Messstrecke 6 angeordnet ist. Die Messstrecke 6 weist auf der einen Seite eine Lichtquelle, insbesondere eine lichtemittierende Diode (LED) oder deren mehrere auf und auf der anderen Seite eine Fotodiode (oder deren mehrere). Die Messstrecke wird auf eine vorgegebene Grenzhöhe für Schlammablagerungen in der Kleinkläranlage montiert und zeigt durch ein fehlendes Licht-Empfangssignal an, wenn die Messstrecke ”versandet”. Auch die Auswertung dieses Signals wird durch eine weitere Auswerteschaltung 7 an die Zentraleinheit weitergeleitet.
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Die Zentraleinheit 3 ermöglicht über ein Display eine laufende Darstellung der Zustandsergebnisse der Kleinkläranlage, desgleichen eine Auswertung und eine Steuerung in Abhängigkeit von den erhaltenen Werten. Die Werte werden auch an einen Webserver 8 zur Abfrage und weiteren Verwaltung weitergegeben. Dies Zentraleinheit 3 ist aber auch mit einer Anlagensteuerung 9 verbunden, die auf entsprechende Steuersignale hin Eingriffe in die Kleinkläranlage kommandiert. In dieser Hinsicht wird beispielsweise die Einspeisung von Sauerstoff in die Kleinkläranlage in einer wohldosierten ausreichenden Form bewirkt, wenn etwa die CSB-Messung aufgrund der Trübungswerte des Abwassers und seiner Farbgebung im grünen Spektrum einen bestimmten Sauerstoffbedarf im Rahmen der Auswertung ergibt. Dabei ist der Sauerstoffbedarf relativ genau auf etwa 10 CSB-Werte ermittelbar.
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Die Anlagensteuerung 9 kann aber auch Maßnahmen zum Abbau des Schlammpegels oder zumindest Anzeige- oder Alarmsignale auslösen, wenn die Schlammsonde 4 eine grenzwertige Schlammhöhe auswirft. Eine solche Kleinkläranlage kann also ohne persönlich durchzuführende Kontrollmaßnahmen betrieben werden und unterliegt, soweit möglich, einer selbsttätigen Regelung.
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Die Baueinheit 1 aus 1 ist baulich in 2 in einem schematischen Längsschnitt dargestellt. Die Messsonde 10 weist im vorliegenden Fall ein wasserdichtes Gehäuse aus einem Rohrteil 11, einer rückwärtigen Kappe 12, einem vorderseitig aufgesetzten Gewindestutzen 13 und einen Gewindering 14 auf, im dem eine Frontscheibe 15 mit Hilfe eines O-Rings 16 dicht eingelagert ist. Die Scheibe 15 ist spezialbeschichtet, insbesondere mit einer Silberbedampfung, um einem Algenbefall unter Wasser entgegenzuwirken.
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Das so gebildete wasserdichte Gehäuse umschließt die funktionswesentlichen Teile der Baueinheit, nämlich einen Sensormodul 17 und eine Optik 18, die in einem genau definierten Abstand zur Scheibe und auch mit einer vorgegebenen Brennweite auf die Überwachung des Abwassers vor der Scheibe abgestimmt sind. Das Sensormodul 17 ist über ein Flachbandkabel 19 mit einem Kameramodul 20 verbunden, in den die vom Sensormodul gelieferten fotoelektrischen Werte eingespeichert werden und aus dem diese auszulesen sind. Die Auslesung erfolgt über ein Kabel 21, welches abgedichtet, vorzugsweise eingeklebt, durch die rückwärtige Kappe 12 bei einer Kabeldurchführung 22 verläuft und die elektronische Verbindung zur Auswertung 2 gemäß 1 schafft. Das Kabel liefert aber auch die Versorgungsspannung für die Kamera, die im Wesentlichen aus dem Sensormodul 17 und dem Kameramodul 19 gebildet ist.
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Das wasserdicht geschlossene Gehäuse beherbergt aber auch drei Lichtdioden 23 und 24 (eine dritte Lichtdiode 25 ist in der Zeichnung verdeckt) als Lichtquelle, wobei die Lichtdioden gleichfalls über das Anschlusskabel 21 elektrisch versorgt und gesteuert werden. Die Lichtdioden 23, 24 sind hinter der Scheibe 15 um die Optik 18 herum angeordnet, also außerhalb eines durch die Scheibe hindurch nach außen gerichteten Bildfeldes der Optik 18, und leuchten vorwiegend senkrecht zur Scheibe 15 parallel zueinander durch die Scheibe 15 hindurch. Das Licht der Lichtdioden 23, 24 tritt von dort in das umgebende Abwasser ein und wird in Abhängigkeit von der Trübung mehr oder weniger stark reflektiert, wobei sich trübungsabhängig unterschiedliche Helligkeiten ergeben wie auch Helligkeitsgefälle und Kontrastunterschiede zwischen den frontal vor den Lichtdioden 23, 24 gelegenen Abwasserbereichen und den dazwischen liegenden Bereichen. Schon von daher ist das aufgenommene Einzelbild sowohl von den erzielten allgemeinen Belichtungswerten wie auch von der durch Kontrast erzielten Belichtungsvariation indikativ für den Zustand des Abwassers.
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Vor allem aber ist mit einer solchen Kamera auch die Färbung des Wasser zu ermitteln und auszuwerten. Dabei sind bestimmte Farbwerte im grünen Bereich indikativ für einen höheren Algenbefall, der durch entsprechende Sauerstoffeingabe in das Abwasser reduziert werden kann. Wichtig ist aber auch die Dosierung der Sauerstoffeingabe, damit nicht durch eine Überdosierung unnötige Kosten entstehen. Desgleichen kann in vorgegebener Weise der Einsatz von Pumpen und auch eine Dosierung der Pumpenleistung dann vorgesehen werden, um einer Vermehrung der Algen zu begegnen und eine bessere Sauerstoffverteilung im Abwasser zu erzielen.
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Allerdings ist das im Kameramodul 20 elektronisch eingespeicherte Einzelbild für sich noch auf geeignete Messsignale hin auszuwerten. Die Auswertung erfolgt dadurch, dass diese Signale ausgelesen und in die Auswertung 2 eingespeichert werden. Diese Auswertung 2 (1) führt einen Vergleich der Auswertesignale mit Bildsignal-Mustern durch, um den Zustand des Abwassers zu typisieren. Die Bildsignal-Muster in der Auswertung können nach der Installation der Überwachungseinrichtung vor Ort in einem ”Lernverfahren” gewonnen werden, indem mit der Überwachungseinrichtung Aufnahmen von verschiedenen Abwasser-Zusammensetzungen mit trübenden oder färbenden Bestandteilen, Schwebstoffen oder Algen in unterschiedlicher Dichte gemacht und in der Auswerteeinrichtung abgespeichert werden. Der Vergleich mit den so gewonnen Bildsignal-Mustern führt dann bei einer später im Betrieb gemachten Einzelbild-Aufnahme zur einer Übereinstimmung oder zur nächstkommenden Ähnlichkeit hinsichtlich der Abwasser-Zusammensetzung. Dieses Verfahren ist für den Praktiker leicht durchführbar und liefert auch eine große Flexibilität hinsichtlich unterschiedlicher Einsatzbedingungen, wenn etwa an Stelle des Abwassers einer Kläranlage ein sonstiges Abwasser oder Meerwasser oder ein mit Dampf- oder Rauchgas beaufschlagtes gasförmiges Medium zu überwachen ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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