DE10239616C1

DE10239616C1 - Verfahren zur photoelektrischen Überwachung von Wasser auf Ölanteile

Info

Publication number: DE10239616C1
Application number: DE10239616A
Authority: DE
Inventors: Juergen Klattenhoff
Original assignee: Gestra GmbH
Current assignee: Gestra AG
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2003-12-18
Anticipated expiration: 2022-08-30

Abstract

Verfahren zur photoelektrischen Überwachung von Wasser auf Ölanteile, bei dem weißes Licht in die Überwachungskammer (2) hineinstrahlt. Hinter der Überwachungskammer (2) wird die Intensität des Direktlichts mit einem Blaulicht-sensitiven und einem Rotlicht-sensitiven Direktlichtsensor (5.1, 5.2) erfasst und beide Intentsitätswerte summiert (SD). Die Intensität des Streulichts wird mit einem Blauliche-sensitiven und einem Rotlicht-sensitiven Streulichtsensor (6.1, 6.2) erfasst und beide Intensitätswerte summiert (SS). Aus beiden Signalsummen (SS, SD) wird ein Anteilsquotient (QA) und anhand dessen ein Ölanteilsignal gebildet. Aus den Intensitätswerten des Blauchlicht-sensitiven und des Rotlicht-sensitiven Direktlichtsensors (5.1, 5.2) wird der Direktlichtquotient (QD) gebildet und aus den Intensitätswerten des Blaulicht-sensitiven und des Rotlicht-sensitiven Streulichtsensors (6.1, 6.2) der Streulichtquontient (QS). Aus beiden Signalquotienten (QS, QD) wird ein Korrekturquotient (QK) gebildet. Das Ölanteilsignal wird anhand des Korrekturquotienten (QK) korrigiert. Das korrigierte Ölanteilsignal ist so weitgehend unabhängig vom Emulsionsgrad des Öls im Wasser.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur photoelektrischen Überwachung von Wasser auf Ölan teile, wie es im Oberbegriff des Hauptanspruchs spezifiziert ist.

Derartige Verfahren (DE PS 31 29 065) haben sich für die Wasserüberwachung durchgesetzt, z. B. in Wasserleitungen, Kondensatleitungen oder auch zur Überwachung des Bilgenwassers auf Schiffen. Die Praxis hat allerdings gezeigt, dass das Überwachungssignal je nach Emul sionsgrad des Öls sehr stark variiert. Bei hohem Emulsionsgrad, also bei sehr kleinen Öl partikeln, ist das Überwachungssignal wesentlich höher als bei niedrigem Emulsionsgrad, also bei größeren Ölpartikeln, trotz gleichem Ölanteil im Wasser.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem das Signal über den Ölanteil im Wasser vom Emulsionsgrad des Öls weit gehend unabhängig ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Enthält das Wasser Partikel, die größer als die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts sind, ist die Relation des Blaulichts und des Rotlichts bei Direktlicht und Streulicht nahezu gleich. Sind bei gleichem Ölanteil im Wasser kleine Ölpartikel in entsprechend größerer Anzahl vorhanden (hoher Emulsionsgrad), bildet sich ein intensives Streulicht aus. Dabei wird beim Streulicht die Relation Blau/Rot ansteigen, da blaues Licht an kleinen Partikeln stärker gestreut wird als rotes Licht (Rayleigh-Streuung). Anhand der Veränderung des Blau/Rotanteils im Streulicht in Bezug zum Blau/Rotanteil des Direktlichts wird das Ölanteilsignal in der Auswerteeinrichtung Emul sionsgrad-abhängig korrigiert.

Gegenstand des Anspruchs 2 ist eine besonders vorteilhafte Bildung des der Korrektur zu unterwerfenden Ölanteilsignals bei Einsatz von Blaulicht-sensitiven und Rotlicht-sensitiven Sensoren. Eventuelle lichtabsorbierende Einflüsse in der Überwachungskammer, z. B. Verschmutzung der lichtdurchlässigen Wandungsbereiche oder Verfärbungen im zu über wachenden Wasser, haben dabei keinen verfälschenden Einfluss auf das Ölanteilsignal.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 3 wird ein besonders präzises Korrektursignal über den Emulsionsgrad des Öls im zu überwachenden Wasser erzielt.

Das für die Überwachung benötigte blaue und rote Licht ist durch Verwendung zweier Licht quellen realisierbar, einer blauen und einer roten Lichtquelle. Der Anspruch 4 gibt eine besonders vorteilhafte Verfahrensausgestaltung an, bei der nur eine einzige Lichtquelle zum Einsatz kommt. Das dabei benutzte Weißlicht umfasst den Wellenlängenbereich des blauen und des roten Lichts. Die nach Anspruch 5 als Lichtquelle verwendete Diode zeichnet sich durch eine besonders hohe Lebensdauer und Robustheit aus. Dass sie einen eng gebündelten Lichtstrahl emittiert, ist auch von Vorteil. Das Verfahren kann so auf spezielle optische Mittel zur Bündelung des Lichtstrahls verzichten.

Die Merkmale der Anspruchs 6 dienen dazu, negative Einflüsse durch Schwankungen des von der Lichtquelle ausgesandten Lichtstrahls zu vermeiden. Außerdem wird die Aussagequalität über den Ölanteil im Wasser weiter erhöht.

In den nach Anspruch 7 verwendeten Doppelphotosensoren werden der Blaulicht-sensitive und der Rotlicht-sensitive Sensor beide vom selben Licht aus der Überwachungskammer beauf schlagt, da die beiden lichtempfindlichen Bereiche hintereinander angeordnet sind. Dies erhöht die Exaktheit der Überwachung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 schematisch die Messeinrichtung des Verfahrens und

Fig. 2 das Funktionsschema der Auswerteeinrichtung des Verfahrens.

In Fig. 1 weist die Messeinrichtung 1 eine Überwachungskammer 2 auf, die von dem zu über wachenden Wasser durchströmt wird. Vor der Überwachungskammer 2 ist mit Abstand eine Leuchtdiode 3 angeordnet. Sie strahlt weißes Licht in die Überwachungskammer 2 ein. Vor der Überwachungskammer 2 befindet sich seitlich neben dem Einstrahlungsbereich für die Über wachungskammer 2 ein gleichfalls von der Leuchtdiode 3 bestrahlter Referenzlichtempfänger 4.1, 4.2. Der Leuchtdiode 3 gegenüberliegend ist hinter der Überwachungskammer 2 ein Direktlichtempfänger 5.1, 5.2 angeordnet. Mit seitlichem Versatz zum Direktlichtempfänger 5.1, 5.2 ist hinter der Überwachungskammer 2 ein Streulichtempfänger 6.1, 6.2 außerhalb des direkten Lichtstrahls der Leuchtdiode 3 angeordnet. Alle drei Lichtempfänger sind als Doppel photosensoren mit zwei hintereinander angeordneten Lichtsensoren 4.1, 4.2; 5.1, 5.2; 6.1, 6.2 ausgebildet. Der vordere Lichtsensor 4.1, 5.1, 6.1 ist dabei für kurzwelligeres, blaues Licht sensitv, während der hintere Lichtsensor 4.2, 5.2, 6.2 für langwelligeres, rotes Licht sensitiv ist.

Entsprechend der Art und Menge der in der Überwachungskammer 2 im Wasser enthaltenen Partikel wird das von der Lichtquelle 3 in die Überwachungskammer 2 eingestrahlte Licht dort durch Absorption abgeschwächt. Das abgeschwächte, ungestreute Licht (Direktlicht) fällt nach Austritt aus der Überwachungskammer 2 auf die Direktlichtsensoren 5.1, 5.2. Der vordere Direktlichtsensor 5.1 misst die Intensität des blauen Lichtanteils im Direktlicht. Der hintere Direktlichtsensor 5.2 wiederum misst die Intensität des roten Lichtanteils im Direktlicht.

Enthält das Wasser lichtstreuende Partikel, wird in der Überwachungskammer 2 Licht abgelenkt (Streulicht). Es fällt nach Austritt aus der Überwachungskammer 2 auf die Streulichtsensoren 6.1, 6.2. Der vordere Streulichtsensor 5.1 misst die Intensität des Blaulichtanteils im Streulicht. Der hintere Streulichtsensor 5.2 wiederum misst die Intensität des Rotlichtanteils im Streulicht. Im Wasser enthaltenes Öl verursacht Lichtstreuung. Dabei ist die Lichtintensität des gestreuten blauen Lichts umso höher, je größer die Anzahl der kleinen Ölpartikel ist, d. h. je größer der Emulsionsgrad des Öls ist. Bei gleichem Ölanteil im Wasser verursachen also größere Öl partikel in entsprechend geringerer Anzahl eine wesentlich geringere Blaulichtstreuung als kleinere Ölpartikel in entsprechend größerer Anzahl. Die Lichtabsorption in der Überwachungs kammer 2 wirkt sich auf das Streulicht in gleicher Weise aus wie auf das Direktlicht. Die Licht absorption wird so kompensiert.

Die Intensität des von der Leuchtdiode 3 emittierten Lichts muss nicht zwangsläufig stets gleich sein. Sie wird mit den in der Nähe der Leuchtdiode 3 angeordneten Referenzlichtsensoren 4.1, 4.2 überwacht. Hierzu misst der vordere Referenzlichtsensor 4.1 die Intensität des blauen Licht anteils, während der hintere Referenzlichtsensor 4.2 die Intensität des roten Lichtanteil des emittierten Lichts misst.

Aus den von allen Lichtsensoren 4.1, 4.2; 5.1, 5.2; 6.1, 6.2 gemessenen Intensitäten des blauen und des roten Lichts wird in der Auswerteeinrichtung 7 (Fig. 2) ein Ölanteilsignal über den Anteil des im zu überwachenden Wasser enthaltenden Öls gebildet.

In Fig. 2 wird die Direktlichtsumme SD der von den Direktlichtsensoren 5.1, 5.2 gemessenen Intensitätswerte der blauen und roten Direktlichtanteile, die Streulichtsumme SS der von den Streulichtsensoren 6.1, 6.2 gemessenen Intensitätswerte der blauen und roten Streulichtanteile und die Referenzlichtsumme SR der von den Referenzlichtsensoren 4.1, 4.2 gemessenen Intensitätswerte der blauen und roten Referenzlichtanteile ermittelt. Anschließend wird die Direktlichtsumme SD einer Normierung in Bezug auf die Intensität des von der Lichtquelle 3 ausgestrahlten Lichts unterzogen. Dies geschieht durch Division von Direktlichtsumme SD und Referenzlichtsumme SR, mit dem Ergebnis des normierten Direktlichtquotienten ND. Ebenso werden die Streulichtsumme SS und die Referenzlichtsumme SR dividiert. Dies ergibt den normierten Streulichtquotienten NS. Die normierten Quotienten NS und ND werden dividiert, es wird also ihr Anteilsquotient QA gebildet. Er ist ein repäsentativer Wert für die streuenden Partikel im Wasser. Dieser Wert ist jedoch nicht linear zu der gebräuchlichen Wertangabe für den Ölanteil (z. B. "ppm"). In der Auswertung AW wird deshalb aus dem Anteilsquotienten QA anhand einer Vergleichstabelle TA ein Ölanteilswert in der üblichen Wertangabe gebildet.

Dieser Ölanteilswert ist allerdings nur bei einem bestimmten Emulsionsgrad des Öls exakt. Bei anderen Emulsionsgraden kann er zu hoch oder zu niedrig sein. Zur Eliminierung dieser Abweichung wird aus den von den Direktlichtsensoren 5.1, 5.2 im Direktlicht gemessenen Intensitätswerten des blauen und des roten Lichtanteils der Direktlichtquotient QD gebildet. Aus den von den Streulichtsensoren 6.1, 6.2 im Streulicht gemessenen Intensitätswerten des blauen und des roten Lichtanteils wird der Streulichtquotient QS gebildet. Aus den beiden Quotienten QS und QD wird der Korrekturquotient QK gebildet. Der Ölanteilswert wird in der Auswertung AW mit einem dem Korrekturquotienten QK in einer Korrekturtabelle TK zugeordneten Korrekturwert für den Emulsionsgrad berichtigt.

Zur Unterscheidung von Öl und anderen als Partikel im Wasser in Frage kommenden Substanzen (z. B. Quarzsand, Algen, Rost) wird aus den vom Blaulicht-sensitven Direktlicht sensor 5.1 und dem Blaulicht-sensitiven Referenzlichtsensor 4.1 gemessenen Intensitätswerten der Blaulichtquotient QB gebildet. Aus den vom Rotlicht-sensitven Direktlichtsensor 5.2 und dem Rotlicht-sensitiven Referenzlichtsensor 4.2 gemessenen Intensitätswerten wird der Rotlichtquotient QR gebildet. Die Quotienten QB und QR sind typisch für die Absorptions wirkung der als Partikel in Frage kommenden Substanzen. In der Auswertung AW wird das Maß der Übereinstimmung des Blaulichtquotienten QB und des Rotlichtquotienten QR mit vorge gebenen charakteristischen Quotientenwerten CW der in Frage kommenden Substanzen verglichen. Dementsprechend wird ein Signal gebildet, um welche Substanz aus den in Frage kommenden es sich bei den streuenden Partikeln im Wasser primär handelt.

Die Auswertung AW liefert also zwei Ausgangssignale, wie auch aus Fig. 2 ersichtlichtlich ist. Das eine ist das berichtigte Ölanteilsignal. Das andere ist das ergänzende Signal über die streuende Substanz.

Das Auswerteverfahren 7 könnte in konventioneller Schaltungstechnik realisiert werden, indem für die in Fig. 2 gezeigten Einzelschritte entsprechende elektronische Bauelemente vorgesehen werden. Für eine Quotientenbildung, also eine Division, ist es beispielsweise üblich, die zu dividierenden Werte zunächst zu logarithmieren und dann die logarithmierten Werte zu subtrahieren. Eine andere bevorzugte Realisierungsmöglichkeit besteht darin, die Intensitäts signale der Lichtsensoren 4.1, 4.2, 5.1, 5.2, 6.1, 6.2 zu digitalisieren und die Auswertung mit Mikroprozessor und zugeordnetem Datenspeicher (insbesondere für die Vergleichstabelle TA, die Korrekturtabelle TK und die charakteristischen Quotientenwerte CW) durchzuführen.

Der Anteilsquotient QA und der Korrekturquotient QK werden vorzugsweise durch Division der Streulichtwerte durch die Direktlichtwerte gebildet, mit dem Vorteil eines hohen Quotienten werts. Prinzipiell wäre aber auch eine entgegengesetzte Division denkbar. Die Werte der Vergleichstabelle TA, der Korrekturtabelle TK und die charakteristischen Quotientenwerte CW werden mit Hilfe von Versuchs- oder Kalibriermessungen ermittelt. Anstelle der hintereinander angeordneten Doppelphotosensoren könnte durchaus jeweils ein Blaulicht-sensitiver und ein Rotlicht-sensitiver Lichtsensor nebeneinander angeordnet werden. Wegen der räumlichen Tren nung würden sie allerdings nicht exakt vom gleichen Licht beaufschlagt. Auch könnten Licht sensoren verwendet werden, die einen großen Wellenbereich erfassen. Sie wären dann durch vorgesetzte blaue oder rote Farbfilter zu ergänzen.

Bezugszeichenliste

1

Messeinrichtung

2

Überwachungskammer

3

Leuchtdiode

4.1

Blaulicht-sensitiver Referenzlichtsensor

4.2

Rotlicht-sensitiver Referenzlichtsensor

5.1

Blaulicht-sensitiver Direktlichtsensor

5.2

Rotlicht-sensitiver Direktlichtsensor

6.1

Blaulicht-sensitiver Streulichtsensor

6.2

Rotlicht-sensitiver Streulichtsensor
AW Auswertung
CW charakterischter Quotientenwert
ND Direktlichtquotient
NS Streulichtquotient
QA Anteilsquotient
QB Blaulichtquotient
QD Direktlichtquotient
QK Korrekturquotient
QR Rotlichtquotient
QS Streulichtquotient
SD Direktlichtsumme
SR Referenzlichtsumme
SS Streulichtsumme
TA Vergleichstabelle
TK Korrekturtabelle

Claims

1. Verfahren zur photoelektrischen Überwachung von Wasser auf Ölanteile, bei dem
sich das zu überwachende Wasser in einer Überwachungskammer befindet,
eine außerhalb der Überwachungskammer angeordnete Lichtquelle Licht in die Über wachungskammer einstrahlt,
ein der Lichtquelle gegenüberliegend außerhalb der Überwachungskammer angeordneter Direktlichtempfänger von dem aus der Überwachungskammer austretenden Direktlicht beaufschlagt wird,
ein außerhalb der Überwachungskammer angeordneter Streulichtempfänger von dem aus der Überwachungskammer austretenden Streulicht beaufschlagt wird und
anhand der Ausgangssignale des Streulichtempfängers und des Direktlichtempfängers in einer Auswerteeinheit ein Ölanteilsignal gebildet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Licht der Lichtquelle (3) den Wellenbereich blauen und den Wellenbereich roten Lichts umfasst,
die Intensität des Direktlichts mit einem Blaulicht-sensitiven Direktlichtsensor (5.1) und einem Rotlicht-sensitven Direktlichtsensor (5.2) erfasst wird,
die Intensität des Streulichts mit einem Blaulicht-sensitiven Streulichtsensor (6.1) und einem Rotlicht-sensitven Streulichtsensor (6.2) erfasst wird und
in der Auswerteeinrichtung (7) anhand der Ausgangssignale der Blaulicht-sensitiven und der Rotlicht-sensitiven Direktlicht- und Streulichtsensoren (5.1-6.2) ein Korrektursignal gebildet wird und anhand dessen das Ölanteilsignal Emulsionsgrad-abhängig korrigiert wird, wobei eine hohe Intensität des blauen Streulichts als hoher Emulsiongrad und eine niedrige Inten sität als niedriger Emulsionsgrad in die Korrektur eingeht, mit entsprechenden Zwischen werten.

2. Verfahren zur photoelektrischen Überwachung von Wasser auf Ölanteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
in der Auswerteeinrichtung (7) die Direktlichtsumme (SD) der Ausgangssignale der Blaulicht-sensitiven und Rotlicht-sensitiven Direktlichtsensoren (5.1, 5.2) gebildet wird,
in der Auswerteeinrichtung (7) die Streulichtsumme (SS) der Ausgangssignale der Blaulicht- sensitiven und Rotlicht-sensitiven Streulichtsensoren (6.1, 6.2) gebildet wird und
in der Auswerteeinrichtung der Anteilsquotient (QA) aus den Signalsummen (SS, SD) und daraus das Ölanteilsignal gebildet wird.

3. Verfahren zur photoelektrischen Überwachung von Wasser auf Ölanteile nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
in der Auswerteeinrichtung ein Direktlichtquotient (QD) aus den Ausgangssignalen der Blaulicht-sensitiven und Rotlicht-sensitiven Direktlichtsensoren (5.1, 5.2) gebildet wird,
in der Auswerteeinrichtung ein Streulichtquotient (QS) aus den Ausgangssignalen der Blaulicht-sensitiven und dei; Rotlicht-sensitiven Streulichtsensoren (6.1, 6.2) gebildet wird und
in der Auswerteeinrichtung ein Korrekturquotient (QK) aus den Signalquotienten (QS, QD) gebildet und anhand dessen das Ölanteilsignal korrigiert wird.

4. Verfahren zur photoelektrischen Überwachung von Wasser auf Ölanteile nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Weißlicht emittiernde Licht quelle verwendet wird.

5. Verfahren zur photoelektrischen Überwachung von Wasser auf Ölanteile nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine lichtemittierende Diode als Lichtquelle verwendet wird.

6. Verfahren zur photoelektrischen Überwachung von Wasser auf Ölanteile nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Intensität des Lichts der Lichtquelle (3) vor der Überwachungskammer von einem Blaulicht-sensitiven Referenzlichtsensor (4.1) und einem Rotlicht-sensitven Referenzlicht sensor (4.2) erfasst wird,
in der Auswerteeinrichtung (7) ein Blaulichtquotient (QB) aus den Ausgangssignalen des Blaulicht-sensitiven Direktlichtsensors (5.1) und des Blaulicht-sensitiven Referenzlicht sensors (4.1) gebildet wird,
in der Auswerteeinrichtung (7) ein Rotlichtquotient (QR) aus den Ausgangssignalen des Rotlicht-sensitiven Direktlichtsensors (5.2) und des Rotlicht-sensitiven Referenzlichtsensors (4.2) gebildet wird und
in der Auswerteeinrichtung (7) das Maß der Übereinstimmung des Blaulichtquotienten (QB) und des Rotlichtquotienten (QR) mit vorgegebenen charakteristischen Werten (CW) für in Frage kommende Substanzen streuender Partikel bewertet und dementsprechend ein Signal gebildet wird, um welche der in Frage kommenden Substanzen es sich bei den streuenden Partikeln im Wasser handelt.

7. Verfahren zur photoelektrischen Überwachung von Wasser auf Ölanteile nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Doppelphotosensoren mit zwei hintereinander angeordneten Lichtsensoren (4.1, 4.2, 5.1, 5.2, 6.1, 6.2) verwendet werden, wobei der vordere im wesentlichen Blaulicht-sensitiv und der hintere im wesentlichen Rotlicht- sensitiv ist.