DE102014205633B4

DE102014205633B4 - Automatischer Probennehmer mit atmosphärisch entkoppelter Speicherung wässriger Proben im Passiv- und Aktiv-Modus

Info

Publication number: DE102014205633B4
Application number: DE102014205633.0A
Authority: DE
Inventors: Christian Siebert
Original assignee: Helmholtz Zentrum fuer Umweltforschung GmbH UFZ
Current assignee: Helmholtz Zentrum fuer Umweltforschung GmbH UFZ
Priority date: 2014-03-26
Filing date: 2014-03-26
Publication date: 2015-11-05
Anticipated expiration: 2034-03-27
Also published as: DE102014205633A1

Abstract

Um einen Probennehmer (10) bereitzustellen, der eine atmosphärisch entkoppelte Speicherung einer Vielzahl wässriger Proben im Passiv- und Aktiv-Modus ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass der Probenehmer (10) eine Sammlerfläche (15), ein Leitungssystem sowie eine Injektionsvorrichtung (61) zur Befüllung einer Vielzahl mit einem Septumdeckel (59) verschlossenen Probenflaschen (58) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Probennehmer zur passiven und/oder aktiven Probenahme von Flüssigkeiten, der eine Sammlerfläche und ein Leitungssystem aufweist.
In den Geowissenschaften, insbesondere der Hydrologie und Hydrogeologie ist die chemische und isotopische Analyse und Interpretation von Oberflächen- und Grundwässern essentieller Bestandteil der Verständnisbildung für natürliche und anthropogene Prozesse im Wasserkreislauf. Insbesondere für die Erkundung der Genese von Wasserressourcen muss die zeitliche wie räumliche Variabilität in Bezug auf isotopische und chemische Zusammensetzung bekannt sein. Die besondere Schwierigkeit bei der Beprobung von Niederschlägen liegt darin, dass sie zeitlich und räumlich zufällig auftreten und somit eine dauerhafte Beprobung nur mittels sogenannter Probenehmer erfolgen kann.
Um nach erfolgreicher Probenahme die Niederschlagsprobe vor Verdunstung zu schützen, gibt es verschiedene Ansätze, jedoch sind diese nachteilig, da diese nur für integrale Niederschlagsproben ausgelegt sind und eine relativ geringe Kapazität aufweisen. Zudem sind die Kosten für derartige Systeme relativ hoch. Es wird dabei versucht, die Verdunstung der Proben durch aufschwimmendes Silikonöl oder teilabgeschlossene Probengefäße zu verhindern, was jedoch nicht vollständig gelingt.
Systeme für eine Oberflächenwasser-Beprobung bieten hingegen keinen Verdunstungsschutz.
Zudem hat sich durch Studien an Niederschlagszusammensetzungen gezeigt, dass eine selektive Beprobung des Niederschlags (Initial-, Mittel-Endniederschlag) von bislang unterschätzter Bedeutung ist, da insbesondere die isotopische Zusammensetzung des Niederschlagswassers innerhalb eines Ereignisses stark schwankt. Daher besteht ein Bedarf an Probenehmern mit einer hohen Kapazität zur Aufnahme einer Vielzahl an Proben.
Aus der US 4 665 743 A und der US 4 732 037 A sind jeweils ein Probennehmer für Niederschläge beschrieben, der für die Probennahme in einer Reihe Probengefäßen ausgestaltet ist. Die Probengefäße sind horizontal in einem Ständer angeordnet und werden mittels einer motorisch betriebenen Vorrichtung befüllt.
Verschiedenste Probennehmer, die teilweise lediglich ein Probengefäß aufweisen und für spezifische Ausgaben ausgebildet sind, sind beispielsweise in US 5 408 892 A , DE 2831 840 A1 , EP 0 201 776 A2 , DE 41 01 107 A1 , WO 89/11667 A1 , US 2 699 679 A und US 3 243 999 A offenbart.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung einen Probennehmer zu schaffen, der eine atmosphärisch entkoppelte Speicherung einer Vielzahl wässriger Proben im Passiv- und Aktiv-Modus ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch einen Probenehmer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dazu ist erfindungsgemäß ein Probennehmer zur passiven und/oder aktiven Probennahme von Flüssigkeiten vorgesehen, der eine Sammlerfläche, ein Leitungssystem, das von der Sammlerfläche zu einer Injektionsvorrichtung fährt, die mit einem Manipulator gekoppelt ist, wobei im Leitungssystem der Sammlerfläche nachgeordnet ein Primärgefäß und diesem nachgeordnet zumindest ein Sekundärgefäß angeordnet sind, wobei zwischen dem Primärgefäß und dem oder den Sekundärgefäßen, dem oder denen ein Ventil nachgeordnet ist, ein Ventil angeordnet ist, und der Probennehmer mit einem Septumdeckel verschlossene Probenflaschen aufweist, wobei die Probenflaschen übereinander liegend vertikal in Magazinen oder Gestellen angeordnet sind.
Ein Septumdeckel ist vorzugsweise ein schraubbarer Deckel, der ein Septum (Durchstechmembran) aufweist.
Vorzugsweise sind die Probenflaschen mit einem inerten Gas, Edelgas, Stickstoff, vorzugsweise Helium befüllt, so dass eine eingebrachten Probe in einer O₂-freie Atmosphäre gelagert werden kann.
Die Septen der Septumdeckel bestehen vorzugsweise aus Buthylgummi, das eine sehr gute Wiederverschließbarkeit nach Injektion und dadurch Gasdichtheit gewährleistet.
Mittels der Injektionsvorrichtung wird eine Probe in eine Probenflasche eingebracht, so dass diese verdunstungsfrei und auch frei von sonstigen Einflüssen gelagert werden kann.
Vorzugsweise verfügt die Injektionsvorrichtung über eine Injektionskanüle sowie vorzugsweise über eine Entlüftungskanüle, die miteinander kombiniert sein können, um einen Druckausgleich beim Injizieren der jeweiligen Probe in eine Probenflasche zu ermöglichen.
Es ist aber auch möglich, die Probenflaschen mit bekannten üblichen Entlüftungsvorrichtungen, Überdruckventilen oder dergleichen auszustatten. Ebenso können die Probenflaschen derart dimensioniert werden, dass ein gewisser Überdruck durch Injektion der Probe tolerierbar ist.
Es ist vorteilhaft eine Vielzahl von Probenflaschen in dem Probenehmer einzusetzen, um die Wartungsintervalle möglichst groß gestalten zu können. Große Wartungsintervalle sind vorteilhafterweise bei Verwendung des erfindungsgemäßen Probenehmers im Gegensatz zu Geräten nach dem Stand der Technik möglich, da die Proben absolut verdunstungsfrei in den Probenflaschen aufbewahrt werden können.
Um die Injektionsvorrichtung in Relation zur den Probenflaschen zu bewegen und diese befüllen zu können, weist der erfindungsgemäße Probenehmer den mit der Injektionsvorrichtung kombinierten Manipulator, vorzugsweise einen drehbar gelagerten Manipulator mit 2-Achsen auf. Der drehbare Manipulator ist vorzugsweise an beiden Enden durch Lager fixiert, so dass vorteilhafterweise eine Nachzentrierung der Injektionsvorrichtung nicht nötig ist.
Die Probenflaschen werden übereinander liegend vertikal in Gestellen, Magazinen oder dergleichen angeordnet, da hierbei eine größere Anzahl von Probenflaschen zum Einsatz kommen kann.
Vorzugsweise werden die Probenflaschen in Magazinen angeordnet, die reversibel in dem Probenehmer festgelegt sind und somit ein einfacheres Wechseln der Probenflaschen ermöglichen, da jeweils das Magazin mit einer bestimmten Anzahl von Probenflaschen entnommen werden kann. Zur Aufnahme der Probenflaschen weisen die Magazine Fächer oder Halterungen auf. Die Fächer oder Halterungen sind derart gestaltet, dass die Probenflaschen eine Neigung von vorzugsweise 30° aufweisen, so dass der Flaschenhals mit dem Septumdeckel den höchsten Punkt der Probenflasche darstellt. Alternativ können auch Probenflaschen mit einem abgewinkelten Flaschenhals vorgesehen sein, so dass vorteilhafterweise der Septumdeckel genau vertikal ausgerichtet ist. Vorteil bei beiden Varianten ist, dass beim Durchstechen des Septums der Probeflaschen durch die Druckausgleichskanüle keine Flüssigkeit wieder austreten kann.
Die Probenflaschen weisen vorzugsweise zur verdrehsicheren Lagerung in den Magazinen eine seitlich an den Probenflaschen angebrachte Nase oder dergleichen auf, die in eine entsprechende Nut im Magazin passt.
Vorzugsweise ist in jeder Ebene eines Magazins 1 Probenflasche angeordnet. Vorzugsweise weist ein Magazin 5 bis 20 Ebenen, besonders bevorzugt 10 bis 15 Ebenen auf. Außerdem sind die Magazine vorzugsweise derart ausgestaltet, dass diese verlängerbar sind, so dass sich die Anzahl der Probenflaschen nahezu beliebig variieren lässt. Verlängerbar heißt, dass sich zumindest zwei Magazine übereinander anordnen lassen.
Die Magazine sind in dem Probenehmer oder einer separaten Probensammeleinheit vorzugsweise kreisförmig um die Injektionsvorrichtung angeordnet, wobei vorzugsweise Halterungen vorgesehen sind, um die Magazine in vertikaler Ausrichtung reversibel aufzunehmen.
Vorzugsweise weist der Probenehmer 1 bis 16 Magazine, vorzugsweise 4 bis 8 Magazine auf.
Die vertikale Anordnung der Magazine erlaubt die Anordnung einer größtmöglichen Anzahl an Probenflaschen bei minimalem Platzaufwand. Zusätzlich kann die Anzahl der Probenflaschen fast beliebig verändert werden, durch Verlängerung der Magazine und der vertikalen Lineareinheit des Manipulators.
Besonders bevorzugt weist der Probenehmer mehr als 80 Probenflaschen auf. Entsprechend der vorbeschriebenen Dimensionierung und Anzahl der Magazine zur Probenflaschenlagerung.
Aufgrund sehr guter Isoliereigenschaften und einer leichten Bearbeitbarkeit sind die Magazine vorzugsweise aus Acrylglas gefertigt. Andere geeignete Kunststoffe sind dem Fachmann bekannt.
Die Magazine können vorteilhafterweise im Stück ausgetauscht werden, so dass auch ungelernte Helfer in der Lage sind, eine Neubesetzung durchzuführen.
Durch den erfindungsgemäßen Probenehmer in nachfolgend beschriebenen Ausgestaltungen können vorteilhafterweise integrale oder selektive Proben beispielsweise von Niederschlagsereignissen autark gesammelt und durch Injektion in mit einem Septum verschlossene Probenflaschen vor Verdunstung geschützt gespeichert werden. Dies erfolgt in einem Passiv-Modus, d. h. der Nutzer kann nur die Art der Beprobung festlegen, jedoch nicht den Zeitpunkt des Niederschlagsereignisses. Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit ist die Beprobung von Oberflächen- und Grundwässern im Aktivmodus. Hier wählt der Nutzer den Zeitpunkt der Probenahme. Je nach Ausgestaltung kann der Probenehmer im Aktiv- und/oder Passivmodus betrieben werden.
Als Sammlerfläche sind grundsätzlich alle dem Fachmann bekannten Einrichtungen im Rahmen des erfindungsgemäßen Probenehmers verwendbar. Bevorzugterweise weist der Probenehmer einen Hellmann-Zylinder als Sammlerfläche auf, der vorzugsweise eine Sammlerfläche von 200 cm², 300 cm² oder 500 m² aufweist.
Bevorzugterweise ist der Hellmann-Zylinder mit einer Kippwaage ausgestattet, die über einen Reed-Kontakt die Niederschlagsmenge, -rate sowie das Ende oder eine Pause eines Niederschlagsereignisses registriert. Diese Signale werden vorzugsweise zur Steuerung des erfindungsgemäßen Probenehmers genutzt.
Die Sammlerfläche ist vorzugsweise außerhalb des Niederschlagsereignisses mit einer Abdeckung, beispielsweise einer staubdicht abdichtenden Platte versehen, die einen Eintrag von Verunreinigungen verhindert. Der Probenehmer weist vorzugsweise einen Niederschlagswächter auf, der mit einem Motor gekoppelt ist, der die Abdeckung in eine Öffnungsposition und eine Verschlussposition verschwenken kann.
Die Sammlerfläche ist mit der Injektionsvorrichtung über ein Leitungssystem verbunden, in dem verschiedene Komponenten zur Ausbildung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen sein können.
Im Leitungssystem der Sammlerfläche nachgeordnet ist ein Primärgefäß (Primärsammler) zur Aufnahme einer Niederschlagsmenge befindlich. Das Primärgefäß wird durch den Niederschlag frei fließend gefüllt. Das vorzugsweise 100 ml fassende Primärgefäß ist vorzugsweise für ein Starkniederschlagsereignis (> 100 jährig) dimensioniert, was bei 200 cm² Sammlerfläche 100 ml/min entsprechen kann. Anders dimensionierte Primärgefäße sind je nach Einsatzzweck des Probenehmers ebenfalls geeignet und werden dementsprechend vom Fachmann ausgewählt.
Zusätzlich zum vorgenannten Primärgefäß sind Sekundärgefäße, vorzugsweise 3 bis 9, besonders bevorzugt 5 oder 6, vorzugsweise konisch zulaufend, mit einem Volumen, das auf eine aufgefächerte Beprobung eines Niederschlagsereignisses ausgelegt ist, vorgesehen. Vorzugsweise weisen diese Sekundärgefäße ein Volumen von 500 bis 1000 ml, vorzugsweise von 500 ml auf.
Alle Sekundärgefäße, unabhängig von ihrer Dimensionierung, sind im Leitungssystem parallel geschaltet und beinhalten jeweils einen Sicherheitsüberlauf, der vorzugsweise zugleich der Entlüftung der Sekundärbehälter dient. Dazu wird im Kopfbereich des Sekundärgefäßes eine Leitung ins Freie geführt.
Zwischen dem Primärgefäß und den Sekundärgefäßen ist eine Pumpe vorzugsweise eine Peristaltikpumpe vorgesehen, welche die Proben aus dem Primärsammler abpumpt. Ein vorzugsweise nachgeschalteter Filter, vorzugsweise mit einer Oberfläche von > 100 cm² entfernt Partikel vorzugsweise größer als 0,5 mm.
Zwischen dem Filter und den Sekundärgefäßen ist vorzugsweise ein Ventil, vorzugsweise ein Rotationsventil vorgesehen, über das der Zufluss der gesammelten Niederschlagsmenge zu den Sekundärgefäßen, je nach Betriebsmodus, gesteuert wird.
Um eine aufgefächerte Beprobung sicherzustellen, weisen die Sekundärgefäße vorzugsweise Füllstandsensoren auf, so dass durch Ansteuerung des vorgeschalteten Ventils das zu befüllende Sekundärgefäß gewechselt werden kann.
Zur Entnahme der Proben aus dem Sekundärgefäßen ist diesen ein weiteres Sammel-Ventil nachgeordnet, mit dem die jeweilige Probe zur Weiterleitung an die Injektionsvorrichtung freigegeben werden kann, wobei die Entnahme der Probe vorzugsweise über eine dem Ventil nachgeordnete Pumpe aktiv erfolgt. Das Sammelventil ist vorzugsweise im stromlosen Zustand geschlossen, um die Befüllung des oder der Sekundärsammler zu gewährleisten.
Das Sammelventil hat weiterhin die Funktion über einen zusätzlichen Kanal, der nicht an einen Sekundärsammler angeschlossen ist, eine aktive Beprobung beispielsweise von Oberflächengewässern zu ermöglichen. Dazu wird die Pumpe entsprechend angesteuert. Zur aktiven Beprobung ist an dem spezifischen Ventilkanal eine nach außen führende Entnahmeleitung vorgesehen.
Im Leitungssystem bzw. der Leitung des Leitungssystems, die zur Injektionsvorrichtung führt, ist zudem vorzugsweise ein Dreiwegeventil angeordnet, das ein Ableiten überflüssigen Probenmaterials erlaubt.
Nach vorteilhaften Aufführungsformen der Erfindung können auch am Leitungssystem nach den Primärgefäßen, jeweils über ein Ventil vom Leitungssystem getrennt, ein Reinstwasserbehälter zum Spülen des Leitungssystems und/oder eine Druckluftflasche zum Trockenblasen angeordnet sein. Bei zusätzlicher Verwendung der Druckluftflasche wird vor dem Dreiwegeventil zur Abwasserentsorgung ein zusätzliches Ventil zum Trockenblasen des Leitungssystems in ebendieses eingebracht.
Um Schwebstofffrachten im Probenmaterial zu entfernen, ist vorzugsweise zumindest eine Reinigungseinheit im Probenehmer vorgesehen. So verfügt das Leitungssystem vorzugsweise über einen grobporigen (500 μm) Membranfilter und rückspülbare Inline-Filter, die als Sinterfilter ausgebildet sind. Diese Filter bestehen aus 2 miteinander verbundenen Sinterfiltern unterschiedlicher Porosität (0 und 1), die in einem Glasröhrchen eingeschmolzen sind und direkt als Zwischenstück in das Leitungssystem eingebracht werden. Der Membranfilter ist der Partikelbelastung entsprechend in variablen Intervallen auszutauschen, der Sinterfilter ist im gleichen Rhythmus rückzuspülen.
Der erfindungsgemäße Probenehmer verfügt über eine Steuerung mittels der die vorbeschriebenen Komponenten des Probenehmers gesteuert werden und die für die einzelnen Betriebsmodi notwendigen Einstellungen vorgenommen werden können. Zudem verfügt der erfindungsgemäße Probenehmer vorzugsweise über einen Datenlogger, der die Speicherung sämtlicher gewonnener Daten und angelegter Probenahme-Protokolle vornimmt. Vorzugsweise ist zudem ein GPS-Empfänger vorgesehen, um die ermittelten Daten der Sensoren, sowie die dokumentierten Einzelproben mit einem einen Datum/Zeitstempel zu versehen.
Im Leitungssystem ist vor dem Rotationsventil eine Durchflusskontrolle eingebracht, die mehrere Funktionen hat. Neben der Kontrolle, ob Luftblasen in die Sekundärsammler gepumpt werden wird zugleich die Temperatur, als auch der elektrischen Leitfähigkeit des Wassers gemessen. Dazu ist Temperatursensor sowie ein Leitfähigkeitssensor in das Leitungssystem eingebracht. Deren Signale werden vorzugsweise durch einen Datenlogger aufgezeichnet.
Der Probenehmer ist nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einem Anlagengehäuse angeordnet, wobei die Probensammeleinheit auch ein separates Gehäuse besitzen kann.
Das Anlagengehäuse kann zudem über eine Isolierung gegen Temperatureinflüsse verfügen, um eine thermische Belastung der Proben zu vermeiden.
Zudem kann der Probenehmer vorzugsweise zum Schutz vor Frost mit Heizeinrichtungen, beispielsweise in Form von Mantelheizungen, Heizmatten, Heizfolien und dergleichen ausgerüstet sein, wobei zu deren Steuerung Temperatursensoren vorgesehen sein können.
Zum Auffangen von Restproben, Spülflüssigkeit und dergleichen kann ein separater Sammelbehälter vorgesehen sein.
Zudem kann das Außengehäuse mit einer zusätzlichen, vorzugsweise quaderförmigen Einhausung versehen sein, die Durchbrüche zur Luftzirkulation aufweisen kann sind, die zudem mit einem Gitter, Gaze und/oder Lamellen geschützt sein können.
Die Einhausung und/oder das Außengehäuse sind vorzugsweise hell und glänzend lackiert, um einen Einfluss von Sonneneinstrahlung auf den Innenraum des Probenehmers möglichst zu vermeiden.
Um Anlagerungen von Probentröpfchen im Leitungs- und Gefäßsystem zu verhindern ist dieses vorzugsweise aus hydrophobem PTFE bzw. PFA gefertigt.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Probennehmers sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Ein Ausführungsbeispiel des Probennehmers wird anhand von Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 in einer schematischen Ansicht ein erfindungsgemäßer Probenehmer, und
2 in einer Detailansicht eine Probensammeleinheit eines erfindungsgemäßen Probenehmers.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Probenehmer 10, der einen Hellmann-Zylinder 11 zur Ausbildung einer Sammlerfläche 15 für Niederschlagsereignisse aufweist. Der Hellmann-Zylinder 11 ist durch eine staubdichte drehbare Platte 12 abgedeckt, die durch einen darauf angeordneten Niederschlagswächter 13 und einen Motor 14 derart gesteuert werden kann, dass die Öffnung des Hellmann-Zylinder 11 freigegeben wird, sobald Niederschlag einsetzt und zugleich die Anlage aktiviert wird. Die abdichtende Platte 12 verhindert, dass in Niederschlagspausen äolisch Staub in den Hellmann-Zylinder 11 eingetragen wird, der dann mit dem Niederschlag in den Probenehmer 10 eingespült würde. Ein Niederschlag wird nach Auftreffen auf die Sammlerfläche 15 über eine Kippwaage 16 in den Probenehmer 10 frei fließend geführt und in einem wendelförmigen Primärgefäß 17 zwischengespeichert. Das Primärgefäß 17 ist derartig konzipiert, dass er einen freien Einlauf und zugleich die Einschichtung des nachlaufenden Wassers gewährleistet. Ein dem Primärgefäß 17 nachgeordnetes 3-Wege-Ventil 18 bildet den Anfang eines im Querschnitt reduzierten Leitungssystems und ist stromlos für den weiteren Abfluss der Probe zur einer Peristaltikpumpe 19 geöffnet. Die Peristaltikpumpe 19 sperrt stromlos den weiteren freien Abfluss. Wird die Peristaltikpumpe 19 aktiviert (erfolgt in Abhängigkeit von der gewählten Sammelmethode und wird nachfolgend erläutert), kann das gesammelte Wasser (Probe) aus dem Primärgefäß 17 ein weiteres stromlos offenes 3-Wege-Ventil 20 sowie einen 500 μm Membran-Vorfilter 21 als auch einen kombinierten 250 μm/100 μm Sinterfilter 22 passieren. Da sämtliche zu erwartende Wässer bzw. Proben Schwebstofffrachten mit sich führen, werden der Memran-Vorfilter 21 und der Sinterfilter 22 in das Leitungssystem integriert. Ein Rotationsventil 26 hält stromlos einen Kanal 27 frei, der zu einem 500 ml fassenden Sekundärgefäß 28 führt. Das Sekundärgefäß 28 ist parallel zu vier weiteren Sekundärgefäßen 29–32 angeordnet. Die Gesamtkapazität der Sekundärgefäße 28–32 richtet sich nach deren Anzahl, die hier mit 5 angenommen wird. Dadurch können die Sekundärgefäße 28–32 in der Summe die auf 200 cm² Sammlerfläche 15 gesammelte Menge eines jeden Ereignisses fassen. Zwischen dem Hellmann-Zylinder 11 und dem Rotationsventil 26 befindet sich eine Durchflusskontrolle 25, die einen Leitfähigkeitssensor 23 sowie einen Temperatursensor 24 aufweist. Durch einen auftretenden Abbruch der Leitfähigkeit kann eine unerwünschte Förderung von Luftblasen durch die Peristaltikpumpe 19 detektiert werden, was zu deren Regulierung dient.
Die Befüllung der Sekundärgefäße 28–32 wird nach einem zuvor vom Nutzer gewählten Schema (integral oder selektiv) vorgenommen und ist in 1 detailliert dargestellt. Da die Länge und Intensität eines Ereignisses nicht vorhersagbar ist, wird die Kapazität von nachstehend beschriebenen Probenflaschen 58 als Kriterium herangezogen. Für die Analyse von beispielsweise stabilen Isotopen des Wassers und inerten Ionen, wie z. B. Cl^–, Br^– reicht ein Volumen von ca. 20 ml aus. Dieses Volumen wird sowohl im integralen als auch im selektiven Modus maximal in die Probenflaschen 58 injiziert. Erzielt die Sammlerfläche 15 bei einem schwachen Niederschlagsereignis dieses Volumen nicht, wird entsprechend weniger Probe injiziert.
In der Probensammeleinheit 57, die in 2 detailliert dargestellt ist, ist eine Injektionsvorrichtung 61, die mit einem drehbar gelagerten 2-Achsen Roboter 62 kombiniert ist, angeordnet. Um die Injektionsvorrichtung 61 herum sind im Winkel von 45° zueinander kreisförmig Magazine 60 vorgesehen, in denen übereinander Probenflaschen 58 befindlich sind. Die Magazine 60 können mitsamt den darin enthaltenen Probenflaschen 58 als Einheit entnommen und durch noch zu füllende Magazine 60 ersetzt werden. Die Magazine 60 werden jeweils durch eine Halterung 65 in der Probensammeleinheit 57 fixiert, wobei zur Verdeutlichung zwei Halterungen 65 nicht mit einem Magazin 60 bestückt sind.
Die Probenflaschen 58 sind mittels eines Septumdeckels 59 verschlossen, wobei der jeweilige Septumdeckel 59 bzw. die dazugehörige Probenflasche 58 derart ausgerichtet ist, dass der Septumdeckel 59 zur Mitte der Probensammeleinheit 57 und damit zur Injektionsvorrichtung 61 ausgerichtet ist. Die Probenflaschen 58 sind zusätzlich im Magazin 60 durch eine seitlich an den Probenflaschen 58 angebrachte Nase, die in eine entsprechende Nut im Magazin 60 passt, gegen rotieren im Magazin 60 gesichert, wobei Nase und Nut hier nicht dargestellt sind. Die Injektionsvorrichtung 61 kann die einzelnen Probenflaschen 58 somit anfahren und die jeweilige Probe injizieren. Die Probenflaschen 58 sind vor Benutzung vorzugsweise mit Helium zu spülen und mittels der Septumdeckel 59 zu verschließen, bevor sie in die Magazine 60 eingelegt werden. Dadurch wird in den Probenflaschen 58 eine O₂-freie Atmosphäre geschaffen, wodurch die Proben nach Injektion vor Fraktionierung durch Gasaustausch weitestgehend geschützt sind. Die Septen der Septumdeckel 59 bestehen aus Buthylgummi, das eine sehr gute Wiederverschließbarkeit nach Injektion und dadurch Gasdichtheit gewährleistet. Dies verhindert den Gasaustausch mit der Atmosphäre und eventuelle Evaporation der Probe. Die Probenflaschen 58 weisen einen abgewinkelten Flaschenhals auf Dieser stellt sicher, dass die Injektionsnadel der Injektionsvorrichtung 61 senkrecht auf das Septum 59 stößt und die Probenflasche 58 während der Injektion entlüftet wird, ohne dass Probe durch die Entlüftungskanüle in der Injektionsvorrichtung 61 zurück entweichen kann.
Die vertikale Anordnung der Probenflaschen 58 in Magazinen 60 erlaubt eine Verwendung einer Vielzahl an Probenflaschen 58 bei minimalem Platzaufwand. Zusätzlich kann die Anzahl der Probenflaschen 58 fast beliebig verändert werden, beispielsweise durch Verlängerung der Magazine 60 und einer vertikalen Lineareinheit des Roboters 62. Weiterhin können zwischen die vorgesehenen 8 Magazine 60 (im Winkel von 45° zueinander angeordnet) weitere Magazine 60 in die Probensammeleinheit 57 eingebaut werden. Bei einer Anordnung von 22,5° zueinander passen bereits 16 Magazine 60 in die Probensammeleinheit 57. An einer freien Stelle der Wandung der Probensammeleinheit 57 ist eine Öffnung vorgesehen, die als Parkposition 63 der Injektionsvorrichtung 61 vorgesehen ist und die gegebenenfalls ein Ableiten von Restmengen oder von Reinigungswasser ermöglicht.
Bei der selektiven Probenahme hält das Rotationsventil 26 stromlos den ersten Kanal 27 frei, bis im Sekundärgefäß 28 die Kapazität der Probenflaschen 58 erreicht ist oder ein Abbruchkriterium das Ende des Ereignisses definiert. Die beim Befüllen des Sekundärgefäßes 28 verdrängte Luft entweicht durch eine Entlüftungsleitung 33, welche im Extremfall zugleich als Überlaufschutz dient. Jedes Sekundärgefäß 28–32 weist eine solche Entlüftungsleitung 33–37 sowie jeweils einen Füllstandsensor 38–42 auf. Das Erreichen der zuvor gewählten Menge im Sekundärgefäß 28 wird durch den Füllstandsensor 38 definiert. Dessen Signal lässt das Rotationsventil 26 einen Schritt weiter rotieren und öffnet den nächsten Kanal zum Füllen eines zweiten Sekundärgefäßes 29 bis auch dieses, durch den Füllstandsensor 39 signalisiert, die Kapazität der Probenflasche 58 erreicht hat. Danach erfolgt die Befüllung der Sekundärgefäße 30–32 nach der selben Prozedur. Diese wird fortgeführt solange das Niederschlagsereignis anhält. Sobald das Sekundärgefäß 28 von der Versorgung durch Schließen des Kanals 27 abgekoppelt ist, öffnet ein Sammelventil 43 den Kanal zum Sekundärgefäß 28, um dessen Inhalt mittels anlaufender Pumpe 44 abzusaugen und durch das in Richtung Injektionsvorrichtung 61 stromlos offene Shuttle-Ventil 45 zur Injektionsvorrichtung 61 zu transportieren. Die Laufzeit der Pumpe 44 wird durch die gesammelte Probenmenge im Sekundärgefäß 28 und die benötigte Zeit definiert, bis diese Menge in die Probenflasche 58 injiziert ist. Ist die Injektion abgeschlossen, stoppt Pumpe 44 und Sammelventil 43 schließt den Kanal zum Sekundärgefäßes 28. Wurde die Befüllung des Sekundärgefäßes 28 durch Erreichen des Abbruchkriteriums (Ende des Ereignisses) gestoppt, ist die Probenahme hiermit beendet. Wurde jedoch mit der Befüllung der Sekundärgefäße 29–32 fortgefahren, wird die Prozedur mit den Sekundärgefäßen 29–32 fortgeführt. Hält das Niederschlagsereignis über die Befüllung des Sekundärgefäßes 32 an, wird die Kette der Sekundärgefäße 28–32 mit Beginn bei Sekundärgefäß 28 erneut befüllt. Dies wird durchgeführt, bis das Ereignis nach dem zuvor festgelegten Abbruchkriterium als beendet definiert wird oder keine leere Probenflasche 58 mehr zur Verfügung steht. Bei einer integralen Probenahme (Mischprobe des gesamten Ereignisses), beginnt die Befüllung des Sekundärgefäßes 28 wie beschrieben, wird jedoch fortgeführt, bis die Kapazität des Sekundärgefäßes 28 (z. B. 500 ml) erreicht ist oder das Abbruchkriterium das Ende des Ereignisses definiert. Wird dem Probenehmer 10 mehr Probe zugeführt, als in Sekundärgefäß 28 erfasst werden kann, wird mit der Befüllung der Sekundärgefäße 29–32 analog zu Sekundärgefäß 28 fortgefahren. Nach Befüllung des Sekundärgefäßes 28 wird eine Mischprobe entsprechend der Kapazität der Probenflasche 58 mittels Pumpe 44 abgesaugt und in die Probenflasche 58 injiziert. Ist die Injektion beendet, wird die verbleibende Wassermenge in das Sekundärgefäß 28 durch die Pumpe 44 und Aktivierung des Shuttle-Ventils 45 aus dem Probenehmer 10 durch eine Abwasserleitung 51 ins Freie geführt. Die Entleerung des Sekundärgefäßes 28 wird durch den Füllstandsensor 38 dokumentiert. Nach entsprechender Nachlaufzeit wird das Shuttle-Ventil 45 deaktiviert und die verbleibende Menge an Probe im Leitungssystem zwischen dem Shuttle-Ventil 45 und dem Injektor 61 ebenfalls ins Freie gepumpt. Die dafür benötigte Zeit errechnet sich aus dem verbliebenen Volumen im Leitungssystem und der Pumprate von der Pumpe 44. Das Entsorgen des Leitungsinhaltes erfolgt dadurch, dass die Injektionsvorrichtung 61, während Ventil 45 aktiviert war, in die Parkposition 63 gefahren ist, wobei die Flüssigkeit nach Außen gelangen kann. Wurde in der Zeit, während das Sekundärgefäß 28 entleert wurde, ein oder mehrere weitere Sekundärgefäße 29–32 befüllt, wird mit den darin aufgelaufenen Proben analog verfahren. Die Befüllung der Probenflasche 58 wird dokumentiert. Mussten für die integrale Erfassung eines Ereignisses mehrere Sekundärgefäße 28–32 genutzt werden, so können die abgefüllten Proben im Nachgang im Labor zusammengeführt werden und als eine Probe analysiert werden.
Bei der aktiven Beprobung eines Wasserkörpers (z. B. Oberflächengewässer) wird am Sammelventil 43 eine Zuleitung 50 geöffnet und die Pumpe 44 fördert eine entsprechende Menge an Probe in eine der Probenflaschen 58. Diese Probe wird nur durch einen Vorfilter am Ansaugstutzen, beides nicht dargestellt, der Zuleitung 50 filtriert, da kein Filterwechsel stattfinden kann und somit die Folgeproben durch bereits filtrierte Proben (Verschleppung) beeinflusst würden.
Die Probenahme wird generell beendet, sobald sämtliche zur Verfügung stehenden Probenflaschen 58 belegt sind oder die Kippwaage 16, spätestens jedoch der Leitfähigkeitssensor 23 das Erreichen des Abbruchkriteriums melden.
Das gesamte Leitungs- und Gefäßsystem zwischen dem 3-Wege-Ventil 20 und der Injektionsvorrichtung 61 besteht aus hydrophobem PTFE, bzw. PFA, so dass eine Anlagerung von Probentröpfchen an den Leitungs- und Gefäßwandungen nahezu ausgeschlossen sind. Dadurch wird die Gefahr der Verschleppung von Proben innerhalb des Probenehmers 10 nahezu ausgeschlossen. Das größere Risiko einer Verschleppung entsteht im Hellmann-Zylinder 11 und muss mit einkalkuliert werden. Dem kann man durch die Ausgestaltung der Sammlerfläche 15 in PTFE-Ausführung entgegen wirken.
Die Reinigung des Probenehmers 10 erfolgt generell, sobald eine Probenahme durch Erreichen des Abbruchkriteriums als beendet definiert wird. Die Reinigung erfolgt in 2 Stufen, zunächst wird mit Reinstwasser gespült und anschließend mit Druckluft oder Helium das System trocken geblasen.
Zunächst fährt die Injektionsvorrichtung 61 in die Parkposition 63. Die Peristaltikpumpe 20 wird mit erhöhter Pumprate kurzzeitig aktiviert, um eventuell noch vorhandene Niederschlagsreste im Primärgefäß 17 durch Öffnung der Abwasserleitung 49 am Rotationsventil 26 ins Freie zu pumpen. Meldet der Leitfähigkeitsensor 23 kein Flüssigkeitstransport (mehr) stoppt die Peristaltikpumpe 20, Rotationsventil 26 öffnet den Kanal 27 und das 3-Wege-Ventil 18 wird aktiviert. Dadurch wird nun bei erneutem Anfahren der Peristaltikumpe 20 Reinstwasser aus einem Reinstwasserbehälters 46 in das Leitungssystem gepumpt. Die Belüftung des Reinstwasserbehälters 46 erfolgt durch eine mit einem Filter bestückte Entlüftungsleitung 47, während die Befüllung durch eine mit einem Stopfen verschlossene und aus dem Anlagengehäuse 68 herausgeführte Einfülleitung 48 erfolgen kann. Durch schrittweises Verstellen des Rotationsventils 26 werden nun alle im letzten Probenahmezyklus genutzten Sekundärgefäße 28–32 bis auf den Füllstand aufgefüllt, der durch die vorrangegangene Probenahme benetzt wurde. Ist dies erfolgt, wird das 3-Wege-Ventil 18 deaktiviert und Rotationsventil 26 öffnet die Abwasserleitung, um den verbliebenen Leitungsrest zwischen dem 3-Wege-Ventil 18 und dem Rotationsventil 26 ins Freie abführen zu können. Nach dessen erfolgter Entsorgung stoppt die Pumpe 19. Nun öffnet das Sammelventil 43 zunächst den Kanal zu Sekundärgefäß 28. Die Pumpe 44 läuft an und fördert zunächst eine Menge, die dem 3-fachen Leitungsvolumen zwischen Pumpe 44 und Injektionsvorrichtung 61 entspricht durch das stromlose Shuttle-Ventil 45 zur Injektionsvorrichtung 61. Das Reinigungswasser wird durch die in Parkposition 63 stehende Injektionsvorrichtung 61 ins Freie geleitet. Danach wird das Shuttle-Ventil 45 aktiviert und die Sekundärbehälter 28–32 durch aktivieren der einzelnen Kanäle zwischen ihnen und dem Sammelventil 43 nacheinander abgepumpt und das darin stehende Reinigungswasser durch die Abwasserleitung 51 nach Außen gefördert.
Insbesondere für die Beprobung von stabilen Wasserisotopen ist die Trocknung der Gefäß- und Leitungswände essenziell. Dazu wird synthetische Luft oder besser geeignetes Helium aus einer Druckflasche 52 an 3-Wege-Ventil 20 und Shuttle-Ventil 45 in das Leitungssystem eingebracht. Der Flaschendruck wird mittels eines Druckminderers 53 auf < 4 bar reduziert und mittels eines 3-Wege-Ventils 54 gelangt das Gas in die Leitungen 55 oder 56, die zum 3-Wege-Ventil 20 bzw. Shuttle-Ventil 45 führen. Nachdem der Reinigungsprozess abgeschlossen ist, wird das 3-Wege-Ventil 20 aktiviert und durch das 3-Wege-Ventil 54 die Leitung 55 angesprochen. Dadurch bläst das Gas verbleibende Feuchtigkeit in die Sekundärgefäße 28–32, in denen die Tröpfchen ablaufen. Nach hinreichender Zeit schließt zunächst Ventil 54, dann Ventil 20. Die abgelaufenen Tropfen aus den Sekundärgefäßen 28–32 werden mittels Aktivierung von Pumpe 44, Shuttle-Ventil 45 und der schrittweisen Freigabe der Kanäle zwischen den Sekundärgefäßen 28–32 und und Sammelventil 43 ins Freie gepumpt. Zugleich öffnet das 3-Wege-Ventil 54 den Zugang zu Leitung 56, wodurch im aktivierten Zustand von Shuttle-Ventil 45 die Leitung zwischen Shuttle-Ventil 45 und Injektionsvorrichtung 61 freigeblasen wird. Dazu sollte letzteres in Parkposition 63 stehen. Nach hinreichender Zeit schließt das 3-Wege-Ventil 54, Pumpe 44 stoppt, Shuttle-Ventil 45 und Sammelventil 43 werden nachfolgend deaktiviert,
Je nach Einsatzort bestehen für die Funktionstüchtigkeit des Probenehmers 10 und die Lagerung der Proben zwei generelle klimatische Gefahren, 1. Einfrieren durch Frost und 2. Überhitzung durch intensive Einstrahlung. Der gesamte Probenehmer 10 befindet sich daher in einem geschlossenen Anlagengehäuse 68, welches mittels nicht dargestellter Styropor-Platten nach außen hin isoliert ist. Die einzigen Durchbrüche sind die Einfülleitung 48 und die Zuleitung 50, sowie Abwasser- und Entlüftungsleitungen 33–37, 49, 51 und 63. In Gebieten, in denen mit Frost zu rechnen ist, sollten die Entlüftungen 33–37, 49, die Abwasserleitung 51 und die Parkposition 63 statt nach außen in einen im Anlagengehäuse 68 befindlichen, hier jedoch nicht dargestellten Sammelbehälter münden, der regelmäßig entleert werden muss. Um den Probenehmer 10 vor Frost zu sichern, werden in zwei verschiedenen Ebenen Nieder-Volt Heizmatten 67 angebracht, die mittels Temperaturfühler 64 gesteuert den Innenraum des Probenehmers 10 auf > 0°C halten. Zusätzlich werden in die Magazine 60 weitere Heizfolien 66 eingebracht, die im direkten Kontakt zur Glaswandung der Probenflaschen 58 stehen. Aufgrund der sehr guten Isoliereigenschaften und leichten Bearbeitbarkeit sind die Magazine 60 aus Acrylglas gefertigt. Der Hellmann-Zylinder 11 wird mit Mantelheizung ausgerüstet, wodurch flüssiger Niederschlag nicht gefriert, bzw. Schnee schmilzt.
Das quaderförmige Außengehäuse 68 befindet sich zudem in einer ebenfalls quaderförmigen Einhausung 69, die an allen 4 Seiten durchbrochen ist. Die möglichst großzügig dimensionierten Durchbrüche sind mit horizontal angeordneten und nach außen geneigten Lamellen verblendet, so dass Luft zirkulieren kann, das Gehäuse 68 aber vor Niederschlag geschützt wird. Gegen Insektenbefall sollten die Durchbrüche von innen mit Gaze verkleidet sein. Die Einhausung 69 ist möglichst hell und glänzend zu lackieren. Durch die Einhausung wird eine direkte Bestrahlung des Anlagengehäuses 68 vermieden. Dadurch und durch die Isolierung des Gehäuses 68 soll die Innentemperaturen niedrig gehalten werden.
Der erfindungsgemäße Probenehmer 10 und die Sammeleinheit 57 verfügt über eine nicht dargestellte elektronische Steuerung mittels der die einzelnen Komponenten gesteuert werden. Des Weiteren ist ein nicht dargestellter Datenlogger für die Dokumentation der Probenahmen integriert, der mittels GPS-Empfänger den ermittelten Daten der Sensoren, sowie den dokumentierten Einzelproben einen Datum/Zeitstempel versieht.
Bezugszeichenliste

10: Probennehmer
11: Hellmann-Zylinder
12: Platte
13: Niederschlagswächter
14: Motor
15: Sammlerfläche
16: Kippwaage
17: Primärgefäß
18: 3-Wege Ventil
19: Peristaltikpumpe
20: 3-Wege Ventil
21: Membran-Vorfilter
22: Sinterfilter
23: Leitfähigkeitssensor
24: Temperatursensor
25: Durchflusskontrolle
26: Rotationsventil
27: Kanal
28, 29, 30, 31, 32: Sekundärgefäße
33, 34, 35, 36, 37: Entlüftung/Überlauf
38, 39, 40, 41, 42: Füllstandsensoren
43: Sammelventil
44: Pumpe
45: Shuttle-Ventil (4-Wege)
46: Reinstwasserbehälter
47: Entlüftungsleitung mit Filter
48: Einfüllleitung mit Verschluss
49: Abwasserleitung
50: Zuleitung
51: Abwasserleitung
52: Druckflasche
53: Druckminderer
54: 3-Wege-Ventil
55, 56: Gaszuleitung
57: Probensammeleinheit
58: Probenflasche
59: Septumdeckel für Probenflaschen
60: Magazin
61: Injektionsvorrichtung
62: 2-Achsen Roboter
63: Parkposition mit Abwasserentsorgung
64: Temperaturfühler
65: Halterung
66: Heizfolie für Probenflaschentemperierung
67: Heizfolie für Anlagentemperierung
68: Anlagengehäuse
69: Einhausung

Claims

Probennehmer zur passiven und/oder aktiven Probennahme von Flüssigkeiten, der eine Sammlerfläche (15) und ein Leitungssystem aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungssystem von der Sammlerfläche (15) zu einer Injektionsvorrichtung (61), die mit einem (62) Manipulator gekoppelt ist, führt, wobei im Leitungssystem der Sammlerfläche (15) nachgeordnet ein Primärgefäß (17) und diesem nachgeordnet zumindest ein Sekundärgefäß (28, 29, 30, 31, 32) angeordnet sind, wobei zwischen dem Primärgefäß (17) und dem oder den Sekundärgefäßen (28, 29, 30, 31, 32), dem oder denen ein Ventil (43, 45) nachgeordnet ist, ein Ventil (18, 20, 26) angeordnet ist, und der Probennehmer (10) mit einem Septumdeckel (59) verschlossene Probenflaschen (58) aufweist, wobei die Probenflaschen (58) übereinander liegend vertikal in Magazinen (60) oder Gestellen angeordnet sind.
Probennehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenehmer (10) zumindest 80 Probenflaschen (58) aufweist.
Probennehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Injektionsvorrichtung (61) über eine Injektionskanüle sowie gegebenenfalls eine Entlüftungskanüle verfügt.
Probennehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenflaschen (58) einen abgewinkelten Flaschenhals aufweisen.
Probennehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammlerfläche (15) mit einer Abdeckung (12) versehen ist, die einen Niederschlagswächter (13) aufweist und mit einem Motor (14) gekoppelt ist.
Probennehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Leitungssystem 3 bis 9 Sekundärgefäße angeordnet sind.
Probennehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Primärgefäß (17) und dem oder den Sekundärgefäßen (28, 29, 30, 31, 32) ein oder zwei weitere Ventile (18, 20, 26) angeordnet ist oder sind.
Probennehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärgefäße (28, 29, 30, 31, 32) Füllstandssensoren (38, 39, 40, 41, 42) aufweisen.
Probennehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem oder den Sekundärgefäßen (28, 29, 30, 31, 32) befindlichen Ventil (26) eine Durchflusskontrolle (25) angeordnet ist.
Probennehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem oder den Sekundärgefäßen (28, 29, 30, 31, 32) ein zweites Ventil (43, 45) nachgeordnet ist.
Probennehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Leitungssystem zwei Pumpen (19, 44) angeordnet sind.
Probennehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Leitungssystem drei Dreiwegeventile (18, 20, 45) angeordnet sind.
Probennehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Leitungssystem über ein Ventil (18) getrennt ein Reinstwasserbehälter (46) angeordnet ist.
Probennehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Leitungssystem über ein Ventil (21) getrennt eine Druckluftflasche (52) angeordnet ist.
Probennehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenehmer (10) zumindest eine Reinigungseinheit aufweist.
Probennehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenehmer (10) eine Steuerung aufweist.
Probennehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenehmer (10) eine Innenraumtemperaturüberwachung sowie Heizeinrichtungen aufweist.
Probennehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung, Pumpen (19, 44), Ventile (18, 20, 26, 43, 45, 54), Motoren des als drehbaren 2D-Roboter ausgebildeten Manipulators (62), Sensoren (16, 23, 24, 38, 39, 40, 41, 42, 64) und Heizfolien (66, 67) mittels 12 V DC, bzw. 24 V DC aus Akkumulatoren betrieben werden, die über ein Solarpanel autark mit Strom versorgt werden können, und dass der Probenehmer (10) über einen Transformator, der einen Direktanschluss an 220 V AC mit Vorzugsschaltung erlaubt, verfügt.
Verfahren zur akkumulierten und/oder sequentiellen passiven und/oder aktiven Probennahme, wobei ein Probennehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird.