DE102020100237B4

DE102020100237B4 - Verfahren zur qualitätskontrolle an in einer fluidleitung strömendem fluid

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Publication number: DE102020100237B4
Application number: DE102020100237.8A
Authority: DE
Inventors: Rainer Kaifel
Original assignee: Kaifel Com Ug Haftungsbeschraenkt; KaifelCom Ug Haftungsbeschraenkt
Current assignee: KaifelCom Ug Haftungsbeschraenkt De
Priority date: 2020-01-08
Filing date: 2020-01-08
Publication date: 2023-02-16
Anticipated expiration: 2040-01-09
Also published as: WO2021139847A1; DE102020100237A1

Abstract

Verfahren zur Qualitätskontrolle an in einer Fluidleitung (1) strömendem Fluid, insbesondere Trinkwasser, wobei über eine mit der Fluidleitung (1) verbundene Probenleitung (5) eine Fluidprobe in einen mit der Probenleitung (5) verbundenen Beobachtungsraum (15) eingeleitet wird, mithilfe eines mikroskopischen Bildgebers Bilder der in dem Beobachtungsraum (15) enthaltenen Fluidprobe erfasst und an einen Prozessrechner (20) übermittelt werden, wobei der Prozessrechner (20) an aufgezeichneten Bildern eine Echtzeit-Voranalyse durchführt, welche eine Bildauswertung mit einer Objekterkennung einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessrechner (20) im Fall der Erkennung eines kritischen Objekts im Rahmen der Echtzeit-Voranalyse das betreffende Bild in einem Datenspeicher (21) abspeichert und vermittels einer Kommunikationseinheit (22) an eine zentrale Datenverarbeitungseinheit (23) übermittelt, welche an von dem Prozessrechner (20) erhaltenen Bildern eine Feinanalyse durchführt, die eine Bildauswertung mit einer Objekterkennung einschließt, und im Fall der Erkennung eines kritischen Objekts im Rahmen der Feinanalyse das betreffende Bild in einem Datenspeicher (21) sichert, sowie bei dem Prozessrechner (20) einen Alarm auslöst, aufgrund dessen der Prozessrechner (20) die Entnahme einer Fluidprobe aus einer von der Probenleitung (5) abzweigenden Probenentnahmeleitung (12) in einen Probenbehälter (14) veranlasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätskontrolle an in einer Fluidleitung strömendem Fluid, insbesondere Trinkwasser, wobei über eine mit der Fluidleitung verbundene Probenleitung eine Fluidprobe in einen mit der Probenleitung verbundenen Beobachtungsraum eingeleitet wird, mithilfe eines mikroskopischen Bildgebers Bilder der in dem Beobachtungsraum enthaltenen Fluidprobe erfasst und an einen Prozessrechner übermittelt werden, wobei der Prozessrechner an aufgezeichneten Bildern eine Echtzeit-Voranalyse durchführt, welche eine Bildauswertung mit einer Objekterkennung einschließt.
Ein derartiges Verfahren wird bereits in der EP 2 469 264 B1 beschrieben. Dort wird gelehrt, die Anzahl oder Konzentration von Partikeln innerhalb eines Fluids mit einem Überwachungssystem zu überwachen, bei dem eine Probe durch den Sichtbereich eines optischen Elements geführt wird, so dass im Rahmen einer Bilderkennung die Zusammensetzung des Fluids untersucht werden kann. Hierbei wird der Fluss des Fluids für den Moment der Untersuchung mithilfe von Ventilen angehalten. Im Falle der Überschreitung festgelegter Grenzwerte wird ein Alarm ausgelöst. Weiter ist bekannt, denselben Fluidstrom zur Erzeugung einer Kontrollmessung durch eine zweite Sensoreinheit zu führen.
Diese Lösung sieht insoweit eine in-situ-Kontrolle vor, die auf aktuell vorliegenden Messergebnissen beruht, die aber nicht gespeichert werden. Zu einem späteren Zeitpunkt kann so nur schwer nachvollzogen werden, was zu welchem Zeitpunkt tatsächlich in der Probe aufzufinden war und ob eine Entscheidung hinsichtlich eines Alarms zutreffend oder fehlerhaft gewesen ist. Aufgrund der Unterbrechung des Fluidflusses erfolgt zudem die Überprüfung des Fluids eher langsam.
Weiter sind aus dem Stand der Technik die Publikationen Hojris, Bo [et al.]: A novel, optical, on-line bacteria sensor for monitoring drinking water quality. In: Scientific reports, Vol. 6, 2016, No. 23935, S. 1-10 und de Graaf, B. R. [et al.]: Implementation of an innovative sensor technology for effective online water quality monitoring in the distribution network. In: Water Practice and Technology, Vol. 7, 2012, No. 4, S. 1-13 bekannt.
In diesem Zusammenhang ist auch die EP 2 607 881 B1 zu erwähnen, bei der zunächst eine Aufkonzentrierung des Fluids erfolgt und dieses dann einer Bildauswertung zugeführt wird.
Im Übrigen sind in diesem Zusammenhang die Schriften US 2017 / 0 082 530 A1 , WO 2004/ 051 367 A2 , JP H07 - 232 188 A , JP H05 - 332 915 A und DE 10 2010 044 919 A1 zu nennen, welche ebenfalls die Bildauswertung an Fluidproben, insbesondere im Bereich der Trinkwasserüberwachung betreffen.
All diesen Systemen und Verfahren liegt das ursprüngliche Problem zugrunde, dass Bakterien, Pilze, Sedimente und andere körperliche Inhaltsstoffe nur in sehr unregelmäßigen Abständen nachweisbar sind und damit bei einer Probenentnahme eine hohe Wahrscheinlichkeit besteht, dass eine vorhandene Belastung durch Keime nicht bemerkt wird. Eine manuell genommene Probe zu sichern und zur Untersuchung in ein Labor zu verbringen, erlaubt zwar eine sehr gute Analyse dieser Probe, jedoch wäre es erforderlich, die Probenentnahme in Abständen wiederholt vorzunehmen, um sicherzustellen, ob eine Belastung des untersuchten Gewässers besteht. In den Labors werden die Proben auf spezifischen Nährböden bis zu zehn Tage lang bebrütet, um anschließend in der Regel unter dem Mikroskop festzustellen, ob und wie viele Bakterien zählbar sind. Eine kontinuierliche Erfassung von Messwerten kann hierdurch aufgrund der räumlichen Distanz der Messstellen zu den Laboren, der Kosten und des zeitlichen Aufwands nicht geleistet werden.
Die vorliegenden Verfahren reagieren darauf mit einer aufwändigen Untersuchungsanordnung, welche vor Ort stattfindet und sich auf eine umfassende Bildauswertung beschränkt. Dies bedeutet jedoch, dass eine Alarmierung einer solchen Untersuchungsanordnung zur Folge hat, dass aufgrund dieser Alarmierung ein Untersuchungstechniker ausrücken muss, um eine Probe zu entnehmen und diese im Nachgang zu der automatisierten Prüfung unter Laborbedingungen intensiv zu testen. Ein solcher Labortest ist erheblich zuverlässiger als eine reine Bildauswertung, allerdings auch erheblich teurer, so dass die Auswertung von Labortests auf ein Minimum zu reduzieren sind.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Qualitätskontrolle an in einer Fluidleitung strömendem Fluid vorzuschlagen, welches eine möglichst einfache und kostengünstige Lösung vor Ort erfordert und die ausführliche Bewertung von Proben zwar ermöglicht, aber auf ein Minimum reduziert.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Qualitätskontrolle an in einer Fluidleitung strömendem Fluid gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Weitere sinnvolle Ausgestaltungen eines derartigen Verfahrens können den sich hieran anschließenden abhängigen Ansprüchen entnommen werden.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, ein mehrstufiges Prüfungsverfahren zu implementieren, welches aus einer ersten Vor-Ort-Prüfung besteht, die als Echtzeit-Voranalyse in einer lokalen Testumgebung stattfindet, sowie einer intensiveren Feinanalyse, die, vorzugsweise online und unmittelbar im Anschluss an die Voranalyse, in einer zentralen Datenverarbeitungseinheit durchgeführt wird. Erst wenn die nur noch selektiv durchgeführte Feinanalyse ebenfalls eine kritische Verunreinigung feststellt, wird eine umgehende Probenentnahme in der lokalen Testumgebung veranlasst, wobei die entnommene Probe dann in einem Laborverfahren untersucht werden kann. Wann eine Verunreinigung als kritisch angesehen wird, kann über die Festlegung eines Schwellenwerts vom Benutzer beeinflusst werden.
Im Einzelnen erfolgt die Qualitätskontrolle an einer Fluidleitung, aus welcher über eine Abzweigung ein Probenstrom Trinkwasser in eine Probenleitung entnommen wird. Die Probenleitung mündet in einen Beobachtungsraum, wo die Fluidprobe mithilfe eines mikroskopischen Bildgebers untersucht wird. In dem Beobachtungsraum kann der mikroskopische Bildgeber Bildmaterial der Fluidprobe erstellen, welches einem Prozessrechner zur Echtzeit-Voranalyse zugeführt wird. Jedes aufgenommene Bild wird mit einer Bildauswertung beurteilt und mit vorangehenden und nachfolgenden Bildern verglichen und es wird im Rahmen einer softwarebasierten Objekterkennung festgestellt, ob kritische Objekte darauf erkennbar sind und bedarfsweise auch in welcher Konzentration.
Soweit dies nicht der Fall ist, werden die Bilder wieder verworfen. Werden derartige kritische Objekte hingegen festgestellt, so werden die betreffenden Bilder bzw. Bildfolgen gespeichert und zum Zwecke einer Feinanalyse von dem Prozessrechner über eine Kommunikationseinheit an eine zentrale Datenverarbeitungseinheit weitergeleitet, welche eine intensivere Auswertung des Bildmaterial mit zeitintensiveren Methoden durchführt. Da die Bildauswertung und Objekterkennung in der zentralen Datenverarbeitungseinheit nicht mehr in Echtzeit erfolgen muss, gelingt eine solche intensive Bildauswertung an den in der zentralen Datenverarbeitungseinheit nur in geringen Mengen vorliegenden Bildern und Bildfolgen unproblematisch. Werden auf dem betreffenden Bild auch im Rahmen der Feinanalyse kritische Objekte erkannt, so wird auch in der zentralen Datenverarbeitungseinheit das Bild gespeichert und bei dem lokalen Prozessrechner ein Alarm ausgelöst. Aufgrund dieses Alarms wird der Prozessrechner eine Probenentnahme veranlassen, wobei eine Fluidprobe aus der Probenleitung über eine Probenentnahmeleitung in einen Probenbehälter erfolgt. Diese Probe kann dann mit einem Zeitstempel versehen oder bedarfsweise auch direkt mit einem Datensatz beschriftet werden. Bis zu einer Abholung des Probenbehälters verbleibt die entnommene Probe vor Ort und wird, einmal im Labor angekommen, einer intensiven Untersuchung zugeführt.
Hierdurch erreichen das Labor nur solche Proben, welche in einem zweistufigen, intensiven Bildauswertungsverfahren als möglicherweise kritisch eingestuft worden sind. Während auf diesem Weg die lokale Prüfung in Echtzeit und damit praktisch lückenlos erfolgen kann, wird die intensive Kontrolle einzelner Treffer auf eine zentrale Datenverarbeitungseinheit, etwa in einem Rechenzentrum, ausgelagert, so dass mehrere lokale Einheiten gemeinsam auf eine Datenverarbeitungseinheit zugreifen können. Die Entnahme von Proben und deren Verbringung in ein Labor zur intensiven und kostenaufwändigen Prüfung erfolgt nur dann, wenn sowohl die Echtzeit-Voranalyse als auch die Feinanalyse eine abschließende Klärung im Labor veranlassen.
In diesem Zusammenhang besteht in jeder nachgelagerten Instanz der Wunsch, möglichst nur die kritischen Messergebnisse vorgelegt zu bekommen, diese aber möglichst vollständig. Eine solche Optimierung kann insbesondere durch eine Rücklernfunktion realisiert werden, bei der das Ergebnis jeder Feinanalyse an Bildern, die ein Prozessrechner an die zentrale Datenverarbeitungseinheit gesandt hat, an diesen zurückgemeldet wird, so dass der Prozessrechner in einer Feedback-Schleife Erkenntnisse darüber sammeln kann, wann ein kritisches Messergebnis vorliegt und wann nicht. Dies hilft dabei, die Genauigkeit bei der Weiterleitung von Messergebnissen an die zentrale Datenverarbeitungseinheit mit der Zeit weiter zu verbessern.
Insbesondere, aber nicht abschließend, können seitens des Prozessrechners Mikroplastik-Partikel, organische und anorganische Sedimente, Pilze, Sporen, Ein- bis Wenigzeller wie beispielsweise Amöben oder Algen und/oder Bakterien als kritische Objekte betrachtet werden, bei deren Detektion auf einem erfassten Bild der Prozessrechner dieses Bild an die zentrale Datenverarbeitungseinheit übermittelt. Hierbei kann im Rahmen einer Objekterkennung ein Auffinden möglicher kritischer Objekte erfolgen, die dann durch einen Bildvergleich ausgewertet werden können. Auf diese Weise ist auch eine weitere Charakterisierung möglich, etwa im Hinblick auf die Frage, welche Bakterienform wie etwa eine Stäbchen- oder Kugelform, im Einzelnen aufgefunden worden sind. Anhand der Form kann eine potenzielle Gefahr bereits abgeschätzt werden. So kann bei eher unkritischen Bakterien gegebenenfalls eine gewisse Belastung toleriert werden, während bei anderen Bakterien schon Einzelfunde zur Weiterleitung und intensiveren Prüfung führen können.
Bei der Auswertung sollte idealerweise ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Fehlmeldungen und tatsächlichen kritischen Meldungen bestehen. Insbesondere sollte jedes im Rahmen der Echtzeit-Voranalyse festgestellte Auftreten kritischer Objekte festgestellt und an die zentrale Datenverarbeitungseinheit weitergeleitet werden. Treten hingegen zu häufige Übermittlungen ein, werden also zu viele Fehlmessungen weitergeleitet, so kann zumindest in einer ersten Reaktion hierauf eine willkürliche Reduktion der Sendemenge durch Umschalten in einen Dämmerungsmodus vorgenommen werden.
Neben der Problematik möglicher zu häufiger Übermittlungen von unkritischen Bildern an die zentrale Datenverarbeitungseinheit kann auch die umgekehrte Situation eintreten, nämlich dass der Prozessrechner nur sehr wenige oder gar keine Bilder mehr übermittelt. Dies kann ganz unterschiedliche Gründe haben. Neben einer schlecht eingelernten oder über die Zeit verschlechterten Erkennung, etwa bei Ausbleiben einer Rückmeldung durch Datenverlust, können auch mechanische Probleme wie die Verschmutzung, Verstopfung, Defekte oder ein Totalausfall vorliegen, so dass auch in einem Fall, in dem während eines Zeitraums keine Informationen vom Prozessrechner an die zentrale Datenverarbeitungseinheit gelangen, ebenfalls ein Alarm ausgelöst werden kann. Dies kann durch die regelmäßige Übertragung eines Kontrollbilds umgangen werden.
Für die Auslösung des Alarms selbst sind unterschiedliche Lösungen einsetzbar. So können Alarmmitteilungen von der zentralen Datenverarbeitungseinheit drahtlos oder drahtgebunden, insbesondere per E-Mail, Short Message Service, Pushnachricht, Nachricht auf einem Bussystem oder per Funk zwischen dem Prozessrechner und der Datenverarbeitungseinheit, sowie bedarfsweise an weitere relevante Rechner und Überwachungssysteme übermittelt werden. Hierbei handelt es sich jedoch nicht um eine abschließende Liste. Vielmehr sind alle bekannten und künftigen Übermittlungsformen von Nachrichten zwischen den beiden Rechnereinheiten ausdrücklich mit in Bezug genommen.
Als Bildgeber können mit einigem Vorteil solche Vorrichtungen eingesetzt werden, welche ein vergrößertes Bild der Fluidprobe in dem Beobachtungsraum liefern. Da die gesuchten kritischen Objekte klein sind, wird als Bildgeber eine Anordnung bevorzugt, welche aus einem Vergrößerungselement, insbesondere aus einer optischen Linsenanordnung wie einem Okular, und einem Aufnahmegerät wie einer Kamera besteht. Die Kamera ist hierbei auf den Beobachtungsraum ausgerichtet, wobei das Vergrößerungselement in dem Sichtfeld der Kamera derart angeordnet ist, dass die Kamera ein mikroskopisch vergrößertes Bild des in dem Beobachtungsraum aufgenommenen Fluids aufzeichnen kann.
Dabei hat es sich als besonders sinnvoll herausgestellt, mit einem Bildgeber zu arbeiten, der Bildausschnitte in der Größe von zumindest 250 µm × 250 µm aufnimmt, wobei eine Schichtdicke von zumindest 20 µm berücksichtigt werden kann.
Ferner können die Bilder so aufgenommen werden, dass aufeinanderfolgende Bilder überlappend aufgenommen werden, also das Fluid noch nicht vollständig durch den beobachteten Bildausschnitt geflossen ist, bevor das nächste Bild aufgenommen wird. Die Überlappung kann hierbei insbesondere wenigstens 5 %, vorzugsweise wenigstens 10 %, höchst vorzugsweise sogar wenigstens 50 % betragen.
Es ist in diesem Zusammenhang sinnvoll, den Beobachtungsraum aus einem durchsichtigen Material herzustellen. Unterschiedliche Materialien bewirken hierbei natürlich unterschiedliche Eigenschaften, so dass insbesondere die Verwendung von Quarzglas oder Borosilikatglas, welches für ultraviolettes Licht durchlässig ist, vorteilhaft ist.
Zwar kann der Beobachtungsraum mit besonderem Vorteil mit sichtbarem Licht hinterleuchtet werden, etwa mithilfe einer oder mehrerer Leuchtdioden im Bereich grünen oder weißen Lichts, jedoch ist es sinnvoll, den Beobachtungsraum in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen mit einem Lichtblitz zu beaufschlagen, der mit besonderem Vorteil im Ultraviolettbereich, vorzugsweise mit einer Wellenlänge zwischen 210 nm und 380 nm, liegt. Aufgrund einer solchen Anregung mit energiereichem Licht kann die Probe zur Reaktion gebracht werden. Soweit entsprechende Bakterien vorhanden sind, können diese aufgrund der Energieeinstrahlung reagieren, was gegebenenfalls optisch feststellbar und kategorisierbar ist und die Erkennungsgenauigkeit verbessert.
Im Gegensatz zum Stand der Technik hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Fluidprobe als kontinuierlichen Strom durch den Beobachtungsraum hindurchzuleiten. Hierdurch wird der Durchsatz und damit der Grad der Überwachung erhöht, wobei dies gleichzeitig eine gewisse Rechenleistung bei der Bewältigung der anstehenden Bildauswertungen erfordert. Ermöglicht wird dies durch die eingangs beschriebene Verteilung der Objekterkennung zwischen dem Prozessrechner und der zentralen Datenverarbeitungseinheit.
Um einen möglichst gleichmäßigen, kontinuierlichen Fluidstrom zu erzeugen, kann eine Peristaltikpumpe, also eine so genannte Schlauchpumpe, eingesetzt werden, deren Fördergeschwindigkeit in bevorzugter Ausgestaltung steuerbar oder sogar regelbar ist. Im letzteren Fall ist ein geeigneter Regelkreis mit fachüblichen Mitteln zu ergänzen. Die Fördergeschwindigkeit liegt bevorzugt zwischen 0,1 mm/min und 20 mm/min, besonders bevorzugt zwischen 0,5 mm/min und 10 mm/min.
Die für den Betrieb und die kontinuierliche Beschickung der Peristaltikpumpe auf deren Saugseite erforderlichen Bedingungen können durch einen vorgeschalteten Druckreduzierer und/oder ein Regulierventil in der Probenleitung hergestellt werden. Diese stellen einen Arbeitsdruck ein, unter dem die Peristaltikpumpe stets mit einem geeigneten Druck beaufschlagt wird.
Bevorzugtermaßen kann der Peristaltikpumpe ergänzend ein Ultrafiltrationsfilter vorgeschaltet sein, mit dessen Hilfe eine Aufkonzentration von Objekten in dem in der Probenleitung geführten Fluid ermöglicht wird. Auf diese Weise kann trotz eines geringeren Durchsatzes der Peristaltikpumpe letztlich eine größere Menge an Fluid untersucht werden, da die Bestandteile einer großen Fluidmenge in einem kleinen Volumen konzentriert sind.
In diesem Zusammenhang kann, vor oder nach der Peristaltikpumpe, ein Abfluss bzw. Überlauf vorgesehen sein, über den überschüssiges Fluid aus der Probenleitung in eine Sensorwanne abgeleitet wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, bewusst Fluid in die Sensorwanne einzuleiten, um dieses mit den dort vorgehaltenen Sensoren zu prüfen. Der Sensorwanne kann hierbei wenigstens ein Sensor zugeordnet sein, vermittels dessen das in dies Sensorwanne eingelaufene Fluid untersucht wird. Bevorzugtermaßen handelt es sich bei dem oder den Sensoren um einen oder mehrere aus der Gruppe Trübungssensor, pH-Wert-Sensor, Temperatursensor, Leitfähigkeitssensor, Adenosintriphosphat-Sensor, Fluoreszenz-Sensor, Photosensor, UV-Sensor, Redox-Sensor. Es ist ebenfalls bekannt, eine Mehrzahl von Sensoren in einem Sensorarray zusammenzufassen, die gleich eine Vielzahl von Einzelsensoren ersetzen und eine ganze Reihe von Messergebnissen liefern. Diese Messergebnisse werden an den Prozessrechner weitergeleitet und entweder von diesem direkt bei der Bewertung der Objekterkennung berücksichtigt und gespeichert, oder nur gespeichert und in der zentralen Datenverarbeitungseinheit vorgehalten. Insbesondere können die von den Sensoren ermittelten Daten zusätzliche Entscheidungshilfen liefern. So kann beispielsweise ein Temperatursensor eine Temperatur zurückliefern, die gegebenenfalls einen Befall mit bestimmten Bakterien ausschließen, oder zumindest unwahrscheinlich werden lässt.
Die Probenleitung zweigt aus einer zu überwachenden Fluidleitung ab. Eingangs der Probenleitung kann zunächst ein Vorfilter angeordnet sein, welches verhindert, dass größere Schmutzfrachten aus der Fluidleitung in die Probenleitung eingetragen werden und diese verstopfen. Insbesondere kann ein solches Vorfilter die Partikelgröße begrenzen, vorzugsweise auf Partikel von höchstens 80 µm Größe. Ferner kann das Vorfilter bevorzugtermaßen mit Fluid aus der Fluidleitung spülbar sein, indem ein Spülventil geöffnet und an dem Vorfilter anhaftende Schmutzschichten fortgespült werden.
Mithilfe eines zusätzlichen Rückschlagventils kann zudem ein unerwartetes Rückspülen von Fluid aus der Probenleitung in die Fluidleitung verhindert werden. Ein Eintragen von Fluid in die Fluidleitung muss zur Wahrung der Fluidqualität ausgeschlossen werden.
Am Ende der Probenleitung, insbesondere strömungstechnisch hinter dem Beobachtungsraum, bedarfsweise aber zusätzlich an weiteren Stellen der Probenleitung, kann ein Sensor vorgesehen sein, welcher eine Durchflusskontrolle ermöglicht. Dies kann über einen Feuchtesensor erfolgen, mit dessen Hilfe die Anwesenheit von Fluid detektiert werden kann. Sofern am Ende der Probenleitung kein Fluid ankommt, muss davon ausgegangen werden, dass eine Verstopfung der Leitung an einer vorhergehenden Stelle besteht. Dies kann zu einer Alarmsignalisierung führen, aufgrund derer eine Reinigung, gegebenenfalls auch eine automatische Reinigung, etwa eine Spülung des Vorfilters, erfolgt. Im Fall einer derartigen Störung wird der Probenzufluss komplett gesperrt und ein Ablaufventil geöffnet, über welches das anstehende Fluid aus der Probenleitung abgelassen werden kann.
Wird aufgrund einer Alarmierung durch die zentrale Datenverarbeitungseinheit eine Probenentnahme durchgeführt, so werden hierfür geeignete Probenbehälter vorgehalten. Hierbei kann es sich insbesondere um sterile geschlossene Behälter mit elastischem Deckel handeln, welche zur Befüllung mit einer Kanüle durchstochen werden. Sobald die Kanüle in den Probenbehälter einragt, wird eine Fluidprobe in den Probenbehälter eingeleitet. Nach der Befüllung wird die Kanüle wieder abgezogen und der Deckel verschließt sich aufgrund seiner Elastizität wieder. Mit einigem Vorteil kann der Deckel in diesem Zusammenhang aus Gummi, Schaumstoff oder Folie hergestellt sein, wobei der Deckel insbesondere auf Druck, nicht auf Zug auf dem Probenbehälter angebracht sein sollte. Für die Sterilisierung oder Desinfektion der Zuführleitung und der Kanüle wird entweder mit einer lokalen Erhitzung gearbeitet, oder aber mit einer Beaufschlagung mit ultravioletter Strahlung. Auch ist es möglich, die Kanüle alternativ in eine Desinfektionslösung einzutauchen und dadurch die Desinfektion zu bewirken.
Die Befüllung kann unter Verwendung einer Füllstandsmessung, etwa vermittels einer Lichtschranke, oder aufgrund einer festen Dosierung erfolgen.
Die einzelnen vorbeschriebenen Verfahrensschritte laufen im Wesentlichen um den Prozessrechner und die Probenleitung herum ab. Zur verbesserten Handhabbarkeit erscheint es sinnvoll, den Gesamtprozess in einem Gehäuse zu kapseln. Ein solches Gehäuse kann mit einigem Vorteil ein Gebläse aufweisen, welcher ein Partikel- und Schwebstofffilter, insbesondere eine HEPA (High Efficiency Perticulate Air)-Filter nachgeschaltet ist. Dann wird das Gebläse Luft in das Gehäuse einsaugen, ohne dass Partikel aus der Luft in das Gehäuse eindringen können. Wird das Gebläse stets so betrieben, dass sich in dem Gehäuse ein Überdruck ausbildet, so kann auch auf anderen Wegen kein Staub von außen eindringen.
Zudem können bevorzugtermaßen die einzelnen, insbesondere elektrischen Komponenten gekapselt sein und die einzelnen Module über Stecker miteinander verbindbar sein. Dies erlaubt zum Einen eine fluiddichte Aufnahme der elektrischen Elemente in dem auch fluidführenden Gehäuse, ohne dass die Gefahr eines Fluidschadens besteht, zum Anderen erlaubt dies den einfachen Ersatz und bei der Konstruktion den leichten modulweisen und damit bedarfsgerechten Aufbau. Bevorzugtermaßen wird hierbei sichergestellt, dass die elektronischen Elemente stets oberhalb der fluidführenden Elemente angeordnet sind. Für den Fall doch auftretender Leckagen kann dem Gehäuse ein Feuchtesensor im Bodenbereich zugeordnet sein, welcher im Fall eines Flüssigkeitskontakts eine Alarmierung wegen Leckage auslöst.
Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. 1 zeigt hierbei eine schematische Darstellung des Verfahrens am Beispiel eines Systems zur Probenentnahme, welches in erfindungsgemäßer Art und Weise mit einer zentralen Datenverarbeitungseinheit datenverbunden ist.
Im Einzelnen zeigt 1 eine Fluidleitung 1 mit zu untersuchendem Fluid, an welcher ein Gehäuse 28 angesetzt ist. In diesem Gehäuse 28 läuft das erfindungsgemäße Verfahren ab. Zunächst zweigt hierfür von der Fluidleitung 1 eine Probenleitung 5 ab, die sich mehr oder minder durch das Gehäuse 28 zieht. Eingangs der Probenleitung 5 ist ein Rückschlagventil 2 angeordnet, so dass kein Fluid aus der Probenleitung 5 zurück in die Fluidleitung 1 strömen kann. An das Rückschlagventil 2 schließt sich im weiteren Verlauf der Probenleitung 5 ein Vorfilter 3 an, welches die Partikelgröße der eingetragenen Partikel auf 80 µm beschränkt. Für den Fall, dass das Vorfilter 3 mit Schmutzfrachten zusetzt, kann es mithilfe des anstehenden Fluids aus der Fluidleitung gespült werden, wozu eine Spülleitung 4 über das Vorfilter 3 geführt und aus dem System herausgeleitet wird.
Wesentlicher Teil der Probenleitung 5 ist ein Beobachtungsraum 15, welcher im weiteren Verlauf der Probenleitung 5 angeordnet ist und einen mit dem Fluid der Probenleitung 5 durchströmbaren Hohlraum darstellt. Um eine Beobachtung von außen zu ermöglichen, ist der Beobachtungsraum entweder vollständig transparent oder weist zumindest ein transparentes Beobachtungsfenster auf, auf welches eine Kamera 18 gerichtet ist. Dieser in ihrem Sichtfeld zugeordnet ist ferner ein Vergrößerungselement 19, welches etwa als Okular ausgebildet sein kann. Dies erlaubt es, die Fluidprobe im mikroskopischen Bereich zu beobachten und zu überwachen.
Die Beleuchtung des Beobachtungsraums 15 erfolgt mithilfe eines Beleuchtungselements 17, etwa einer LED oder LED-Anordnung, mit deren Hilfe eine Beleuchtung insbesondere in weißer Farbe für eine Farberkennung oder in grüner Farbe für erhöhten Kontrast ermöglicht wird.
Ein kontinuierlicher Strom der Fluidprobe durch den Beobachtungsraum 15 wird durch eine Peristaltikpumpe 11 in der Probenleitung 5 sichergestellt. Im Vorfeld der Peristaltikpumpe 11 ist ein Druckreduzierer 6 vorgesehen, welcher den Leitungsdruck der Fluidleitung 1 auf einen für die Peristaltikpumpe 11 geeigneten Eingangsdruck reduziert. Entsprechend wirkt auch ein sich daran anschließendes Regulierventil 7, über welches Fluid aus der Probenleitung 5 in die Sensorwanne 9 abgegeben werden kann. Darüber hinaus kann der Peristaltikpumpe 11 ein Ultrafiltrationsfilter 29 zugeordnet sein, mit dessen Hilfe die Probe aufkonzentriert werden kann. Gefiltertes Fluid 30, das mit ausreichender Sicherheit keine kritischen Objekte mehr enthält, wird über einen Abfluss aus dem System abgelassen, während lediglich das Konzentrat 31 an die Peristaltikpumpe 11 weitergeleitet wird. Es reicht somit aufgrund der Aufkonzentrierung aus, ein wesentlich geringes Volumen zu überprüfen als beim Wegfall des Ultrafiltrationsfilters 29. Umgekehrt ausgedrückt kann hierdurch bei gleichem Durchfluss durch den Beobachtungsraum ein größeres Fluidvolumen untersucht und dessen Reinheit sichergestellt werden. Mithilfe eines Fluidzählers 32 kann die in den Ultrafiltrationsfilter 29 zugeflossene Fluidmenge bestimmt werden, eine Spülleitung 33 erlaubt eine Spülung des Ultrafiltrationsfilters 29 im Fall eines verringerten Durchsatzes.
Der Peristaltikpumpe 11 nachgeschaltet ist ein Feuchtesensor 10, mit dessen Hilfe überprüft werden kann, ob auch Fluid in ausreichender oder erwartbarer Menge aus dem Beobachtungsraum 15 wieder austritt, mithin ob im Vorfeld des Feuchtesensors 10 eine Verstopfung der Probenleitung 5 vorliegt. Im Fall einer Verstopfung erfolgt auch hier eine Alarmierung, so dass bedarfsweise ein geeigneter Eingriff in das System vorgenommen werden kann. Hinter dem Feuchtesensor 10 tritt das Fluid aus dem System aus und verlässt das Gehäuse 28. Während das zu untersuchende Fluid durch den beleuchteten Beobachtungsraum 15 strömt, werden Bilder davon von der Kamera 18 aufgenommen und zur Echtzeit-Auswertung an einen Prozessrechner 20 übermittelt. Die Bildübermittlung 24 erfolgt dabei so, dass auch die Bildinformation, wie der Fluidstrom, kontinuierlich und in Echtzeit bereitgestellt wird. Einzelne aufgenommene Bilder sind dabei so angeordnet, dass sie sich um wenigstens 50 % überlappen. Jedes Bild wird in dem Prozessrechner 20 einer Bildauswertung mit einer Objekterkennung unterworfen, wobei zunächst Objekte in dem Bild detektiert und vermessen werden. Weitere Informationen können über Informationen weiterer Sensoren zugeführt und von dem Prozessrechner 20 berücksichtigt werden. In jedem Fall findet in dem Prozessrechner 20 nur eine Voranalyse statt, welche in einer Art und Weise durchgeführt wird, dass sie in Echtzeit erfolgen kann.
Wenn innerhalb der dem Prozessrechner 20 zur Verfügung stehenden Zeit und mit den ihm zur Verfügung stehenden Möglichkeiten festgestellt wird, dass ein kritisches Objekt oder eine bestimmte Anzahl oder Kombination kritischer Objekte in einem Bild auffindbar sind, so wird dieses Bild zunächst in einem Datenspeicher 21 abgelegt und dann an eine zentrale Datenverarbeitungseinheit 23 übermittelt, welche mit umfangreicheren Möglichkeiten und einem größeren Aufwand eine Feinanalyse an den Bildern durchführt. Messwerte der Sensoren werden dabei mit übermittelt und berücksichtigt.
Wird aufgrund der Feinanalyse, bei welcher ein Bildvergleich und/oder ein Vergleich von Messwerten wie Breite, Länge, Form, Farbe, Transparenz und anderer optisch ermittelbarer Eigenschaften und die Beweglichkeit der Objekte mit einer Datenbank verglichen werden, festgestellt, dass die Einschätzung des Prozessrechners 20 hinsichtlich der kritischen Objekte zutreffend ist, also eine kritische Belastung der Fluidprobe auch durch die zentrale Datenverarbeitungseinheit 23 festgestellt, so löst die zentrale Datenverarbeitungseinheit 23 eine Alarmübermittlung 25 an den Prozessrechner 20 aus. Wird hingegen festgestellt, dass entgegen dem Analyseergebnis des Prozessrechners 20 eine kritische Belastung nicht vorliegt, so erfolgt eine Ergebnisübermittlung an den Prozessrechner 20, welcher mittels einer Rücklernfunktion seine Erkennungsgenauigkeit weiter verbessert.
Sowohl die Bildübermittlung 24 als auch die Messwertübermittlung 27 erfolgen über eine mit dem Prozessrechner 20 datenverbundene Kommunikationseinheit 22. In der umgekehrten Übertragungsrichtung erfolgt eine Alarmübermittlung 25 oder eine Ergebnisübermittlung 26 von der zentralen Datenverarbeitungseinheit 23 an den Prozessrechner 20.
Trifft ein Alarmsignal bei dem Prozessrechner 20 ein, so reagiert dieser, indem er eine Probenentnahme auslöst. Hierzu lässt er Fluid aus der Probenleitung 5 durch eine Probenentnahmeleitung 12 in einen Probenbehälter 14 einlaufen und sichert somit in kürzester Zeit eine Probe, die dann zur weiteren Analyse in einem Labor abgeholt werden kann. Hierzu werden zunächst mehrere Probenbehälter 14 vorgehalten, welche mit einem elastischen Deckel versehen sind. Wird eine Probe entnommen, so wird der Deckel mit einer Kanüle durchbohrt und das Innere des Probenbehälters auf diese Weise mit der Probenentnahmeleitung 12 verbunden. Durch das Öffnen eines Dosierventils 13 strömt Fluid in den Probenbehälter 14. Der Füllstand des Probenbehälters 14 wird mit einem Füllstandssensor, etwa einer Lichtschranke, erfasst und es erfolgt eine Messwertübermittlung 27 an den Prozessrechner 20.
Weitere Messwerte zu der Probe können über eine Sensorwanne 9 ermittelt werden, in welcher ein oder mehrere Sensorarrays vorgehalten sind, welche Eigenschaften aus der Probenleitung abgezweigten Fluids ermitteln und zur Auswertung bereitstellen. Auch von hier erfolgt eine Messwertübermittlung 27 an den Prozessrechner 20. Über Zeitstempel der Messwerte kann der Prozessrechner 20 einen Zusammenhang zwischen Bildern, Proben und Messwerten herstellen, um so ein vollständiges Bild der verfügbaren Daten bereithalten und bedarfsweise an die zentrale Datenverarbeitungseinheit 23 übermitteln zu können.
Vorstehend beschrieben ist somit ein Verfahren zur Qualitätskontrolle an in einer Fluidleitung strömendem Fluid, welches eine möglichst einfache und kostengünstige Lösung vor Ort erfordert und die ausführliche Bewertung von Proben zwar ermöglicht, aber auf ein Minimum reduziert.
Bezugszeichenliste

1: Fluidleitung
2: Rückschlagventil
3: Vorfilter
4: Spülleitung
5: Probenleitung
6: Druckreduzierer
7: Regulierventil
8: Abfluss
9: Sensorwanne
10: Feuchtesensor
11: Peristaltikpumpe
12: Probenentnahmeleitung
13: Dosierventil
14: Probenbehälter
15: Beobachtungsraum
16: Feuchtesensor
17: Beleuchtungselement
18: Kamera
19: Vergrößerungselement
20: Prozessrechner
21: Datenspeicher
22: Kommunikationseinheit
23: zentrale Datenverarbeitungseinheit
24: Bildübermittlung
25: Alarmübermittlung
26: Ergebnisübermittlung
27: Messwertübermittlung
28: Gehäuse
29: Ultrafiltrationsfilter
30: gefiltertes Fluid
31: Konzentrat
32: Fluidzähler
33: Spülleitung
34: Probenbehälterkasten

Claims

Verfahren zur Qualitätskontrolle an in einer Fluidleitung (1) strömendem Fluid, insbesondere Trinkwasser, wobei über eine mit der Fluidleitung (1) verbundene Probenleitung (5) eine Fluidprobe in einen mit der Probenleitung (5) verbundenen Beobachtungsraum (15) eingeleitet wird, mithilfe eines mikroskopischen Bildgebers Bilder der in dem Beobachtungsraum (15) enthaltenen Fluidprobe erfasst und an einen Prozessrechner (20) übermittelt werden, wobei der Prozessrechner (20) an aufgezeichneten Bildern eine Echtzeit-Voranalyse durchführt, welche eine Bildauswertung mit einer Objekterkennung einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessrechner (20) im Fall der Erkennung eines kritischen Objekts im Rahmen der Echtzeit-Voranalyse das betreffende Bild in einem Datenspeicher (21) abspeichert und vermittels einer Kommunikationseinheit (22) an eine zentrale Datenverarbeitungseinheit (23) übermittelt, welche an von dem Prozessrechner (20) erhaltenen Bildern eine Feinanalyse durchführt, die eine Bildauswertung mit einer Objekterkennung einschließt, und im Fall der Erkennung eines kritischen Objekts im Rahmen der Feinanalyse das betreffende Bild in einem Datenspeicher (21) sichert, sowie bei dem Prozessrechner (20) einen Alarm auslöst, aufgrund dessen der Prozessrechner (20) die Entnahme einer Fluidprobe aus einer von der Probenleitung (5) abzweigenden Probenentnahmeleitung (12) in einen Probenbehälter (14) veranlasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Datenverarbeitungseinheit (23) das Ergebnis jeder Feinanalyse an den Prozessrechner (20) übermittelt und der Prozessrechner (20) seine Erkennungsgenauigkeit aufgrund der Ergebnisse der Feinanalyse verbessert.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessrechner (20) Mikroplastik-Partikel, Pilze, Sporen, organische und anorganische Sedimente, Ein- bis Wenigzeller wie insbesondere Amöben oder Algen und/oder Bakterien als kritische Objekte betrachtet, bei deren Detektion auf einem erfassten Bild der Prozessrechner (20) dieses Bild an die zentrale Datenverarbeitungseinheit (23) und bedarfsweise weitere relevante Rechner oder Überwachungssysteme übermittelt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vonseiten der zentralen Datenverarbeitungseinheit (23) ein Alarm ausgelöst wird, wenn während eines Zeitraums keine Informationen von dem Prozessrechner (20) an die zentrale Datenverarbeitungseinheit (23) gelangen oder wenn mehr als ein Grenzwert an Bildern von dem Prozessrechner (20) an die zentrale Datenverarbeitungseinheit (23) übermittelt werden, auf denen die zentrale Datenverarbeitungseinheit (23) keine kritischen Objekte ermittelt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Alarm drahtlos oder drahtgebunden, insbesondere per E-Mail, Short Message Service, Pushnachricht, Nachricht auf einem Bussystem oder per Funk zwischen dem Prozessrechner (20) und der Datenverarbeitungseinheit (23) übermittelt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildgeber ein Vergrößerungselement (19), insbesondere eine optische Linsenanordnung, sowie eine Kamera (18) umfasst.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildgeber Bildausschnitte des Beobachtungsraums (15) in der Größe von zumindest 250 µm × 250 µm und innerhalb eines zumindest 20 µm starken Tiefenbereichs desselben aufnimmt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildgeber aufeinanderfolgende Bilder um wenigstens 5 %, vorzugsweise um wenigstens 10 %, höchst vorzugsweise um wenigstens 50 % überlappend aufnimmt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Beobachtungsraum (15) aus einem für Licht durchlässigen Material, insbesondere aus Borosilikatglas oder Quarzglas, hergestellt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Beobachtungsraum (15) von einem Beleuchtungselement (17) mit sichtbarem Licht, vorzugsweise weißem oder grünem Licht, beleuchtet, vorzugsweise hinterleuchtet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungselement (17) den Beobachtungsraum (15) in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen mit einem Lichtblitz beaufschlagt.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtblitz eine Wellenlänge im Ultraviolettbereich, vorzugsweise zwischen 250 nm und 380 nm, aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidprobe als kontinuierlicher Fluidstrom durch den Beobachtungsraum (15) geleitet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass dem Beobachtungsraum (15) eine Peristaltikpumpe (11), vorzugsweise mit einer steuerbaren oder regelbaren Fördergeschwindigkeit, vorgeschaltet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördergeschwindigkeit zwischen 0,1 mm/min und 20 mm/min, vorzugsweise zwischen 0,5 mm/min und 10 mm/min liegt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass vermittels eines der Peristaltikpumpe (11) vorgeschalteten Druckreduzierers (6) und/oder eines Regulierventils (7) in der Probenleitung (5) ein Arbeitsdruck für die Peristaltikpumpe (11) eingestellt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Peristaltikpumpe (11) ein Ultrafiltrationsfilter (29) zur Aufkonzentration des in der Probenleitung (5) geführten Fluids zu einem Konzentrat (31) vorgeschaltet ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Peristaltikpumpe (11) vorgeschaltet überschüssiges Fluid aus der Probenleitung (5) vermittels eines Abflusses (8) bzw. Überlaufs in eine Sensorwanne (9) abgeleitet wird, wobei der Sensorwanne (9) wenigstens ein Sensor zugeordnet ist, vermittels dessen das abgeflossene oder übergelaufene Fluid untersucht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorwanne (9) ein oder mehrere Sensoren aus der Gruppe Trübungssensor, pH-Wert-Sensor, Temperatursensor, Leitfähigkeitssensor, Adenosintriphosphat-Sensor, Fluoreszenz-Sensor, Photosensor, UV-Sensor, Redox-Sensor, zugeordnet sind, deren Messwerte dem Prozessrechner (20) zur Auswertung und/oder zur Weiterleitung an die zentrale Datenverarbeitungseinheit (23) übermittelt werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vermittels eines eingangs der Probenleitung (5) angeordneten, vorzugsweise rückspülbaren, Vorfilters (3) die Partikelgrö-ße in die Probenleitung (5) eingetragener Partikel auf höchstens 80 µm begrenzt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vermittels eines Rückschlagventils (2) eingangs der Probenleitung (5) ein Rückfluss von Fluid aus der Probenleitung (5) in die Fluidleitung (1) verhindert wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ausgangs der Probenleitung (5) vermittels eines Sensors, vorzugsweise eines Feuchtesensors (10), eine Durchflusskontrolle vorgenommen wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenentnahme über eine der Probenentnahmeleitung (12) zugeordnete Kanüle erfolgt, welche zu dessen Befüllung durch einen elastischen Deckel, vorzugsweise aus Gummi, Schaumstoff und/oder Folie, in den Probenbehälter (14) eingestochen wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Probenentnahme eine vorbestimmte Menge an Fluid aus der Probenentnahmeleitung (12) in den Probenbehälter (14) eingeleitet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Probenentnahme so lange Fluid aus der Probenentnahmeleitung (12) in den Probenbehälter (14) eingeleitet wird, bis ein Füllstandssensor, vorzugsweise eine Lichtschranke, auslöst.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung und Probenentnahme in einem Gehäuse (28) angeordnet sind, welches vermittels eines einem Partikel- und Schwebstofffilter, insbesondere einem HEPA (High Efficiency Particulate Air)-Filter, nachgeschalteten Gebläses unter Erhaltung eines permanenten Überdrucks belüftet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass einzelnen Komponenten innerhalb des Gehäuses (28), insbesondere die Probenentnahme, der Prozessrechner (20) und der Bildgeber, jeweils als gekapselte Steckmodule ausgeführt sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Module oberhalb sämtlicher Fluidleitungen, insbesondere der Probenleitung (5) und der Probenentnahme, angeordnet sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (28) auftretende Leckagen fluidführender Elemente mithilfe eines in einem Bodenbereich des Gehäuses (28) angeordneten Feuchtesensors (16) festgestellt werden.