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Die Erfindung betrifft ein Entnahmegerät für Flüssigkeitsproben, mit einer Saug-Druckeinrichtung, die Probenflüssigkeit aus einer tiefer befindlichen Flüssigkeit ansaugt, wobei die Förderhöhe über der maximal möglichen geodätischen Forderhöhe liegen kann.
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Entnahmegeräte für Flüssigkeitsproben, beispielsweise für Wasserproben, sind an sich bekannt und werden in verschiedensten Ausführungsformen für unterschiedlichste Überwachungsaufgaben eingesetzt. Sie werden unter anderem zur Entnahme von Wasserproben aus fließenden oder stehenden Gewässern wie beispielsweise Flüssen, Seen, Brunnen, Brauch- oder Abwasseranlagen bzw. Kläranlagen verwendet. Die entnommenen Flüssigkeitsproben werden anschließend zur Kontrolle der Beschaffenheit bzw. der Einhaltung bestimmter Parameter chemisch und/oder physikalisch untersucht. Häufig ist es erforderlich, die entsprechenden Flüssigkeitsproben nicht nur einmalig, sondern wiederkehrend zu bestimmten Zeitpunkten bzw. periodisch in gleichbleibenden Zeitabständen oder regelmäßig bei bestimmten Ereignissen zu nehmen. Daher werden solche Flüssigkeitsproben in der Regel automatisch entnommen und automatisch in einzelne Probenaufbewahrungsbehälter abgefüllt.
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Bekannte automatisch arbeitende Probenentnahmegeräte sind heutzutage meist mikroprozessorgesteuert und weisen üblicherweise eine Schlauchpumpe oder eine Dosiereinrichtung mit einem Dosiergefäß zur temporären Aufnahme einer bestimmten Menge einer angesaugten Probenflüssigkeit auf, die in dem Dosiergefäß automatisch auf ein bestimmtes Füllniveau aufgefüllt oder nach dem vollständigen Auffüllen des Dosiergefäßes auf das bestimmte Füllniveau reduziert wird. Anschließend wird die auf diese Weise genau dosierte Menge an Probenflüssigkeit als abzufüllende Probe in den Probetransportbehälter abgelassen. Das Fördern der Probenflüssigkeit in das Dosiergefäß kann dabei mit einer in der Förderstrecke zum Dosiergefäß angeordneten selbstansaugenden Flüssigkeitsverdrängerpumpe oder durch eine an das Dosiergefäß angeschlossene Vakuumpumpe erfolgen.
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Aus der
DE 100 08 623 A1 ist ein automatisch arbeitendes Entnahmegerät für Flüssigkeitsproben bekannt, das nach dem Vakuumprinzip arbeitet. Über ein Vakuumsystem wird eine relativ große Menge der Probenflüssigkeit durch Unterdruck über eine Saugleitung in ein Dosiergefäß gefördert und in diesem automatisch auf ein festgelegtes Füllniveau nivelliert. Das Füllniveau wird dabei von Abschaltelektroden für das Vakuumsystem bestimmt. Anschließend wird durch Einleiten von Luft in das Dosiergefäß ein Teil der Probenflüssigkeit über einen Überlauf verdrängt und die verbleibende reduzierte Menge an Probenflüssigkeit als Probe in einen Probenbehälter abdosiert.
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Es ist dem Fachmann bekannt, dass Flüssigkeiten durch Saugen nicht beliebig hoch gefördert werden können. Um dies zu verstehen, muss man bedenken, dass die Flüssigkeit nicht durch den beim Saugen in der Ansaugleitung aufgebauten Unterdruck nach oben gesaugt, sondern vielmehr durch den an der Vorratsmenge anstehenden gegenüber dem Unterdruck höheren Atmosphärendruck in der Saugleitung nach oben gedrückt wird. Je nach Größe der Differenz zwischen dem Unterdruck in der Saugleitung und dem Atmosphärendruck wird die Flüssigkeit dabei unterschiedlich weit hochgedrückt. Die theoretisch maximal mögliche Saughöhe, die auch als geodätische Saughöhe bezeichnet wird, liegt beispielsweise für Wasser bei ca. 10 Metern. Die geodätische Saughöhe hängt u.a. von dem herrschenden Atmosphärendruck, von der Temperatur der Flüssigkeit und der Höhe des Standortes über dem Meeresspiegel ab. Bei Idealbedingungen, d.h. bei einem Normaldruck von 1013 hPa, bei einer Wassertemperatur von 4 °C und bei einer Lage des Standortes von 0 m über Normalnull beträgt sie rechnerisch für Wasser 10,33 Meter. In der Praxis wird der so ermittelte Wert zusätzlich durch verschiedene Einflüsse wie Reibung, Kavitation und Oberflächenspannung des Wassers in Verbindung mit der Querschnittsfläche in der Saugleitung vermindert. Real ist mit einer maximalen Saughöhe von ca. 8 bis 9 Metern für Wasser zu rechnen. Weiterhin hängt die geodätische Saughöhe einer Flüssigkeit von dem spezifischen Gewicht der Flüssigkeit ab. Leichtere Flüssigkeiten können bei gleicher Viskosität, gleichem Kavitationsverhalten und gleicher Oberflächenspannung mittels Unterdruck höher gefördert werden als schwerere Flüssigkeiten.
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Abhängig von den örtlichen Gegebenheiten an der Entnahmestelle für die Probennahme ist es nicht immer möglich, ein Entnahmegerät für Flüssigkeitsproben der Flüssigkeit für die Probennahme so nahezubringen, dass die Höhendifferenz zwischen dem Aufnahmebehälter für die Probenflüssigkeit und einem Flüssigkeitsspiegel der Flüssigkeit die maximale Saughöhe nicht übersteigt. In einem solchen Fall können Schwierigkeiten bei der Probennahme entstehen, die eine Probennahme erschweren oder gänzlich verhindern.
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In solchen Fällen bei denen eine größere Förderhöhe als die maximal mögliche Saughöhe erforderlich ist wäre eine Verdrängerpumpe in der Flüssigkeit eine mögliche Lösung. Dies ist jedoch in vielen Fällen aus Platzgründen nicht möglich. Insbesondere bei beengten Verhältnissen wie dies z.B. in Grundwasserbohrungen der Fall ist. Außerdem sind manche Entnahmestellen im explosionsgefährdeten Raum, sodass nur Komponenten mit ATEX-Zulassung eingesetzt werden können. Diese Komponenten sind in der Regel groß und teuer.
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Eine weitere bekannte Technik sind sogenannte Grundwasserpumpen, bei denen ein Hohlkörper unter die Wasseroberfläche abgetaucht wird der sich über ein Rückschlagventil automatisch befüllt und dann über eine Steigleitung mit Rückschlagventil nach Druckbeaufschlagung entleert und die Flüssigkeit in einer Förderleitung nach oben gedrückt wird. Dies hat jedoch den Nachteil, dass zum einen immer genügend Wasserstand vorhanden sein muss um den Hohlkörper automatisch zu befüllen und zum anderen, dass bei den oft engen Platzverhältnissen (Bohrlöcher mit etwa 50 mm Innendurchmesser) nur wenig Volumen je Zyklus gefördert werden kann und so in der Regel mehrere Pumpzyklen notwendig sind bis die maximale geodätische Saughöhe überschritten wird.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein mit einer Saug- Druckeinrichtung arbeitendes Entnahmegerät für Flüssigkeitsproben vorzuschlagen, das mit nur einem Entnahmezyklus auch unter beengten Raumverhältnissen eine Probennahme über eine Saughöhe ermöglicht, die größer als die geodätische Saughöhe ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Entnahmegerät für Flüssigkeitsproben mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den darauf rückbezogenen Ansprüchen zu entnehmen.
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Grundgedanke der Erfindung ist es 2 miteinander verbundene Förderschläuche zu verwenden die am Saugende verbunden und mit einem Ventil in der Ansaugleitung versehen sind. Durch diese U-förmige Anordnung der Schläuche können beide Schläuche durch paralleles Anlegen von Unterdruck bis zur maximalen geodätischen Saughöhe mit Flüssigkeit vollgesaugt werden. Wenn diese maximale Saughöhe (z.B. 8 m) erreicht ist kann das Zulaufventil geschlossen werden. Danach wird ein Saugschlauch belüftet, d.h. mit der Atmosphäre verbunden und der andere Saugschlauch bleibt mit dem Unterdruck verbunden. Das bewirkt, dass zwischen den am Ansaugende verbundenen Saugschläuchen ein Druckunterschied entsteht, was dazu führt, dass der Wasserstand im belüfteten Schlauch abfällt und im Schlauch mit Unterdruck ansteigt. Im oben genannten Beispiel mit einer erreichten Saughöhe von 8 m wird im belüfteten Schlauch der Wasserspiegel um 4 m sinken und im Unterdruck beaufschlagten Schlauch um 4 m steigen, sodass eine Differenz von 8 m entsteht. Somit entsteht im Unterdruck beaufschlagten Schlauch bereits eine Förderhöhe von 12 m. Zusätzlich kann der belüftete Saugschlauch noch mit Überdruck beaufschlagt werden. Dies bewirkt, dass eine zusätzliche Druckdifferenz zwischen dem Unterdruck beaufschlagten und dem Überdruck beaufschlagten Saugschlauch entsteht. Somit sinkt der eine Wasserspiegel weiter und der andere steigt. Wenn zum Beispiel der rechte Schlauch mit 0,8 bar Druck beaufschlagt wird, wird der Wasserspiegel in diesem Schlauch um 4 m sinken und im linken Schlauch (Unterdruck beaufschlagt) um 4 m steigen was einer Druckdifferenz von weiteren 8 m und somit etwa 0,8 bar entspricht. Damit ist im linken Schlauch bereits eine Förderhöhe von 16 m erreicht.
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Bei einer weiteren Druckerhöhung im rechten Schlauch würde der Wasserspiegel im rechten Schlauch einen negativen Wert erreichen was zur Folge hätte, dass Luft in den linken Schlauch eingedrückt wird. Dies sollte vermieden werden, da die Luft im linken Schlauch durch die Flüssigkeit aufsteigen würde. Um dies zu verhindern kann der rechte Schlauch im Durchmesser vergrößert werden, sodass im rechten Schlauch bei gleichem Wasserspiegel wie im linken Schlauch mehr Volumen enthalten ist. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung liegt darin, dass beim Belüften des rechten Schlauches gegen die Atmosphäre der Wasserspiegel im rechten Schlauch weniger abfällt, dafür aber im linken Schlauch mehr ansteigt. Wenn z.B. der rechte Schlauch das 3fache Volumen je Längeneinheit des linken Schlauches aufweist dann wird der Wasserspiegel im linken Schlauch um das 3-fache ansteigen wie der Wasserspiegel im rechten Schlauch abfällt. Das heißt beim oben genannten Beispiel wird nach Belüftung des rechten Schlauches der Wasserspiegel im rechten Schlauch um 2 m sinken und der Wasserspiegel im linken Schlauch um 6 m steigen. Somit ist im linken Schlauch bereits eine Förderhöhe von 14 m erreicht. Im rechten Schlauch kann danach so viel Überdruck angelegt werden bis der Wasserspiegel in diesem Schlauch um 6 m absinkt. Dies bewirkt, dass im linken Schlauch der Wasserspiegel um das 3fache ansteigt, d.h. um 3 x 6 m = 18 m. Da im linken Schlauch bereits ein Wasserspiegel von 14 m besteht, erhöht sich der Wasserspiegel im linken Schlauch auf 14 m + 18 m = 32 m. Um dies zu erreichen ist ein Druck von 2,4 bar notwendig, da die Wasserspiegel Differenz vom linken zum rechten Schlauch sich um 24 m ändert. (Im rechten Schlauch wird der Wasserspiegel um 6 m sinken was im linken Schlauch eine 3 Mal so hohe Erhöhung des Wasserspiegels bewirkt.) Diese Beispiele sind alle nur circa-Werte und bei einem Luftdruck von etwa 1000 mbar berechnet.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Zulaufventil an der Ansaugöffnung ein druckluftbetätigtes Verschlussventil das gesteuert geöffnet oder geschlossen werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die Ansaugleitung auch entgegen der Förderrichtung mit Flüssigkeit oder Druckluft gespült werden kann. Somit kann gewährleistet werden, dass immer frische Flüssigkeit gefördert wird und ggf. Verstopfungen vermieden werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand vier in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den Ansprüchen und der beigefügten Zeichnung. Die einzelnen Merkmale der Erfindung können für sich allein oder zu mehreren bei unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung verwirklicht sein. Es zeigen in schematischer Darstellung:
- I ein erfindungsgemäßes Entnahmegerät für Flüssigkeitsproben mit 2 Förderleitungen (1) und (2) mit identischen Dimensionen und einem Belüftungsventil (11) in der Förderleitung (2)
- II ein erfindungsgemäßes Entnahmegerät für Flüssigkeitsproben mit 2 Förderleitungen (1) und (2) mit identischen Dimensionen ohne Belüftungsventil in Förderleitung (2)
- III ein erfindungsgemäßes Entnahmegerät für Flüssigkeitsproben mit 2 Förderleitungen (1) und (2) mit unterschiedlichen Dimensionen.
- IV ein erfindungsgemäßes Entnahmegerät für Flüssigkeitsproben mit 2 Förderleitungen (1) und (2) mit einem Auslassventil (6) unterhalb des Auffangbehälters (5)
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Die I - IV zeigen schematisch Varianten eines erfindungsgemäßen Entnahmegerätes für Flüssigkeitsproben, mit dem Probenflüssigkeit aus einer tief befindlichen Flüssigkeit (8) ansaugbar ist.
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In I ist ein erfindungsgemäßes Entnahmegerät dargestellt, das mit einer Luft-Förderpumpen (3) arbeitet die mit einem Auffangbehälter (5) verbunden ist, dessen Zulauf mit der Förderleitung (1) verbunden ist, sodass ein Evakuieren des Auffangbehälters (5) die Förderleitung (1) ebenfalls evakuiert und einer LuftFörderpumpe (4) die mit der Förderleitung (2) verbunden ist. In der Förderleitung (2) unterhalb der Luftförderpumpe (4) befindet sich ein steuerbares Belüftungsventil (11) mit dem die Förderleitung (2) zur Atmosphäre hin belüftet werden kann. Die Förderleitungen (1) und (2) sind am Saugende (12) miteinander verbunden und münden in eine gemeinsame Förderleitung (9) die mit einem Zulaufventil (10) (z.B. Rückschlagventil) versehen ist.
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Funktion:
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Die Luft-Förderpumpen (3) und (4) werden parallel oder nacheinander gestartet und erzeugen somit im Auffangbehälter (5) und in den Förderleitungen (1) und (2) einen Unterdruck der vorzugsweise so weit wie möglich unter dem atmosphärischen Luftdruck liegt. Bei einer Druckdifferenz zwischen dem erzeugten Unterdruck und dem atmosphärischen Luftdruck von z.B. 800 mbar hat dies zur Folge, dass aus dem Flüssigkeitsvorrat (8) über die gemeinsame Förderleitung (9) und das Zulaufventil (10) Flüssigkeit in die beiden Förderleitungen (1) und (2) bis zu einer Höhe von etwa 8 m über den Niveau des Flüssigkeitsvorrates (8) eingesaugt wird. Danach wird das Belüftungsventil (11) geöffnet, was bewirkt, dass das Zulaufventil (10) automatisch schließt und zwischen den Förderleitungen (1) und (2) eine Druckdifferenz entsteht, die der Differenz zwischen dem erzeugten Unterdruck der in der Förderleitung (1) nach wie vor aufrechterhalten wird und dem atmosphärischen Luftdruck der nach Öffnen des Belüftungsventiles (11) auf die Oberfläche der in der Förderleitung (2) stehenden Wassersäule wirkt. Dies hat zur Folge, dass bei gleichem Innendurchmesser der Förderleitungen (1) und (2) der Wasserspiegel in der Förderleitung (2) absinkt und in der Förderleitung (2) ansteigt und zwar entsprechend der bestehenden Druckdifferenz von in diesem Beispiel 800 mbar, was bei Wasser eine Höhenstands Differenz von etwa 8 m ergeben wird und somit ein Abfallen des Flüssigkeit Spiegels in der Förderleitung (2) von etwa 4 m ergeben wird und in der Förderleitung (1) einen Anstieg des Flüssigkeitsspiegels von ebenfalls etwa 4 m ergeben wird. Somit erreicht der Flüssigkeitsspiegel in der Förderleitung (1) eine Höhe von etwa 12 m über dem Niveau des Flüssigkeitsvorrats (8), was schon deutlich über der geodätisch maximalen Saughöhe liegt. Wenn der Auffangbehälter (5) auf einer Höhe von z.B. 11 m platziert ist wird Flüssigkeit in diesen gefördert.
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II zeigt ein erfindungsgemäßes Entnahmesystem ähnlich wie in I dargestellt, jedoch ohne das Belüftungsventil (11).
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Funktion:
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Die Funktion dieser Ausführung ist identisch mit der Funktion des in der I beschriebenen Entnahmesystems bis zum Abschluss des Saugvorganges nach dem in beiden Förderleitungen (1) und (2) die Flüssigkeit auf eine Höhe von etwa 8 m über dem Niveau des Flüssigkeitsvorrates (8) angesaugt ist. Danach wird die Luftförderpumpe (4) auf Druck umgeschaltet, was bewirkt, dass in der Förderleitung (2) ein Überdruck entsteht, sodass das Zulaufventil (10) automatisch schließt, das Flüssigkeitsniveau in der Förderleitung (2) absinkt und das Flüssigkeitsniveau in der Förderleitung (1) ansteigt und zwar entsprechend der entstehenden Druckdifferenz zwischen der Förderleitung (1) und (2). Somit kann bei einem von der Luftförderpumpe (4) erzeugten Druck von 0,8 bar das Flüssigkeitsniveau in der Förderleitung (2) auf nahezu bis zur Verbindungsstelle der beiden Förderleitungen (12) abgesenkt werden, was zur Folge hat, dass das Flüssigkeitsniveau in der Förderleitung (1) um etwa 8 m auf 16 m ansteigt. Eine weitere Druckerhöhung ist nicht ratsam, da damit Luft in die Förderleitung (1) eingepresst würde.
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III zeigt ein erfindungsgemäßes Entnahmesystem ähnlich wie II, jedoch mit Förderleitungen in verschiedenen Durchmessern.
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Funktion:
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Die Funktion dieser Ausführung ist identisch mit der in II beschriebenen Funktion, mit dem Unterschied, das nach Umschalten der Förderpumpe (4) auf Druck mehr Flüssigkeit von der Förderleitung (2) in die Förderleitung (1) gedrückt werden kann bis das Flüssigkeitsniveau in der Förderleitung (2) fast das 0-Niveau an der Verbindungsstelle (12) zwischen der Förderleitung (1) und (2) erreicht hat, was bewirkt, dass das Flüssigkeitsniveau in der Förderleitung (1) mehr ansteigt als das Flüssigkeitsniveau in der Förderleitung (2) absinkt. Beispiel: Wenn das Innenvolumen der Förderleitungen (1) und (2) je Längeneinheit ein Verhältnis von 1 : 3 hat dann wird bei Druckbeaufschlagung von Förderleitung (2) das Wasserniveau in der Förderleitung (1) um den 3fachen Wert ansteigen wie das Wasserniveau in der Förderleitung (2) abfällt. Somit kann je nach Verhältnis der Innendurchmesser der Förderleitungen und Druckhöhe in der Förderleitung (2) eine große Förderhöhe erreicht werden.
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IV zeigt ein erfindungsgemäßes Entnahmesystem ähnlich wie III, jedoch mit einem gesteuerten Auslassventil (6) unterhalb des Auffangbehälters (5) und einer oder mehrerer darunterliegender Probenbehälter (7). Dieses zusätzliche Ventil kann in allen beschriebenen Ausführungsvarianten eingesetzt werden.
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Funktion:
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Die Funktion ist identisch mit den vorher beschriebenen Ausführungsvarianten. Zusätzlich kann jedoch nach jedem Förderzyklus die in den Auffangbehälter (5) geförderte Flüssigkeit nach Öffnen des Auslassventiles (6) in einen zweiten oder mehrere Auffangbehälter (7) abgelassen werden und nach Verschließen des Auslassventiles (6) ein neuer Förderzyklus gestartet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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