DE1939524B2 - Vorrichtung zum Bestimmen des Strömungsverlaufs, vorzugsweise in Meer- bzw. Mündungsgebieten von Flüssen - Google Patents

Description

Das Hauptpatent betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen des Strömungsverlaufs, vorzugsweise in Meer- bzw. Mündungsgebieten von Flüssen, unter Verwendung von Fluoreszenzträgern, z. B. Rhodamin, die dem Wasser in geringer Konzentration zugesetzt werden, mit Einrichtungen zum Nachweis und zur Registrierung dieser Fluoreszenzträger, wobei diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Einrichtungen aus einem Meßteil und einem Batterieteil bestehen, daß der Meßteil einen Blaulichtimpulssender hoher Leistung, einen Impulslichtempfänger für Fluoreszenzlicht, z. B. Rhodaminresenanzlicht, eine Meßschaltung und die Registriereinheit enthält, und daß der Meßtei¹ und der Batterieteil tiefseefest in einem oder mehreren Kästen eingekapselt und im Wasser versenkbarsind.

Die Erfindung betrifft eine Weiterbildung einer Vorrichtung nach dem Hauptpatent und bezweckt eine Verbesserung bezüglich der Vermeidung des hohen Wattverbrauches des Impulssenders unter gleichzeitiger Heraufsetzung der Lichtintensität und der Verminderung der Tageslichtempfindlichkeit des Fluoreszenzlichtempfängers.

Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß als Anregungslichtquelle für die Fluoreszenz eine im Mikrosekundenbereich arbeitende Funkenent-

iS ladungslampe mit automatischer Intensitätsstabilisierung verwendet ist, deren Parameter (Gasdruck, Gasart, Kondensator, Spannung und Induktivität) auf maximale Strahlungsemission im Fluoreszenzanregungsgebiet eingestellt ist und eine Bützdauer hat, die langer als die Fluoreszenzträgheit ist, und daß der einem nachgeschal teten elektronischen Verstärker speisende Empfänger des Fluoreszenzlichtes ein Photosensor, vorzugsweise eine Ha!bleiterphotodiode oder ein nur mit wenigen Stufen arbeitender Photomultiplier ist.

In der Praxis sollte dabei die Blitzdauer langer als 10-*s, jedoch tunlichst kürzer als IfJ-⁵S sein. Wenn diese Lampe einmal pro Sekunde mit einer Bützdauer von z. B. 1 \is arbeitet, ist sie durchschnittlich nur 10-^b der Zeit in Betrieb. Wenn der Blitz eine KPfache Intensität gegenüber einer leistungsstarken Glühlampe haben möge, ist der Leistungsverbrauch dann erst 10 ^J gegenüber der Glühlampe. Der für den Betrieb der Blitzlampe erforderliche Hochspannungserzeuger mindert zwar diesen Wirkungsgrad, jedoch verbleiben immer noch mehr als zwei Zehnerpotenzen als Leistungsvorteil.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt zusätzlich darin, daß Funkenentladungslampen ihr Strahlungsmaximum im Blauen oder Ultravioletten haben und dieses Maximum durch Wahl des Gasdrucks und der elektrischen Parameter der gewünschten Fluoreszenzanregungsweilculärige ange glichen werden kann.

Die bisherigen Photovervielfacher arbeitenden Geräte sind außerordentlich tageslichtempfindlich. Sobald dieser nämlich mit seiner Photokathode Tageslicht empfängt, das durch atmosphärische Lichtstreuung oder die über dem Meßgerät liegende Wasserschicht noch hindurchtritt, hat die Photokathode eine Gleichstromemission die genauso wie das Nutzsignal, z. B. lOMach verstärkt wird. Hierdurch tritt nicht nur ein sehr starkes elektronisches Rauschen an der Nutzanode des Vervielfachers auf, sondern gleichzeitig eine thermische Überlastung der Elektroden. Daher ordnete man bisher bei Fluorimetern den Photovervielfacher in einer dunklen Meßkammer an. durch die das messende Medium gepumpt wurde. Durch die erfindungsgemäß verwendete Anregungslichtquelle mit beispielsweise 10³fach höherer Lichtleistung im μ$-Ιπιρυΐ5 ist es jetzt aber möglich, die Verstärkung des Multipliers zu entbehren und eine Halbleiter-Photodiode an Stelle des Photovervielfachers einzusetzen, die a priori einen etwa lOfr.ch höheren Quantenwirkungsgrad hat als die Photokathode des Photovervielfachers. Man verliert zwar an Empfindlichkeit durch Fortfall der Verstärkungseigenschaft des Photomultipliers, gewinnt andererseits durch Einsatzmöglichkeit des verstärkerlosen Halbleitersensors mit höherer Quantenausbeute ein

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höheres Anfangs-Nutzsignal. das zusammen mit der erheblich erhöhten Impulslampenintensität bewirkt, daß gegenüber den konventionellen Verfahren kein Empfindlichkeitsverlust eintritt Naturgemäß kann man an Stelle der Photodiode auch einen Photomultiplier verwenden, der nur mit einer sehr kleinen Stufenzahl arbeitet, z. B. mit nur drei Stufen und dadurch gegenüber den konventionellen Anwendungen eine außerordentlich kleine Verstärkung mit entsprechend verringerter Gleichlichtempfindlichkeit hat

Außerdem kann man durch den Einsatz der Impulslichtqualle und die Anwendbarkeit einer Impulslichtempfängers Schaltungsprinzipien aus dem Sektor der Meteorologie übernehmen, wo derartige Geräte als Transmissometer oder Streulichtmesser zur Messung der Sichtweite bereits seit vielen Jahren in Betrieb sind. Es kaiw also auf Entwicklungen zurückgegriffen werden, die z. B. den exakten dekadischen Logarithmus der Intensität der empfangenen Lichtimpuise als Meßresultat auswerfen. Diese auf Impulse ausgelegten Verstärkerschaltungen verstärken keine Gleichstromoder Niederfrequenzkomponente und machen den Impulslichtempfänger damit gleichlichtunempfindlich. Infolge der vergleichsweise hohen Nutzsignale bei Impulsbetrieb kommt man mit kleineren Verstärkungsfaktoren aus. Das Gerät wird kompakter, im Gewicht leichter und im Leistungsverbrauch geringer.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung, die eine hohe Empfindlichkeit hat, frei von Tageslichteinfluß ist und somit in beliebigen Meerestiefen von Null bis herab zu einigen hundert Metern je nach der Druckfestigkeit des umhüllenden Zylinders eingesetzt und z. B. auch geschleppt werden kann, läßt sich je nach der verwendeten optischen Filter am Lichtimpulssender und an dem aufzunehmenden Photosensor entweder zur Messung der qualitativen Fluoreszenz z. B. Rhodamin B benutzen oder aber auch für die Erfassung von Bioplasma, wobei die hierfür erforderlichen Filter und Spektren aus bekannten Literaturtabellen entnommen werden. Auf Grund der geringen Leistungsaufnahme des Gerätes, die unter Umständen weniger als 1 Watt sein kann, kann es mit unabhängigen kleinen Batterien längere Zeit laufen, da man eine Leistung von 1 Watt z. B. über 1000 Meßstunden, entsprechend einer kWh. noch in einer Batterie mäßiger Größe unterbringen kann. Auch die Kombination mit kleinen radioaktiven oder thermoelektrischen Stromerzeugern wird sinnvoll.

In Ausgestaltung der Erfindung wird man bemüht sein, die Impulsfrequenz des Senders so niedrig zu legen, unter Umständen z. B. nur l/min, das die zu erwartenden zeitlichen Änderungen der zu messenden Konzentration gerade noch sicher erfaßt werden. Man wird dementsprechend auch den Empfänger so auslegen, daß die Auswertung der empfangenen Signale mit dieser geringen Impulsfolge amplitudengerecht erfolgt und linear oder logarithmisch digital oder analog ausgeworfen wird. Die optische Anordnung selbst, d. h. die Strahlführung des senderseitigen Emmissionsstrahles (parallel oder konzentrisch auf einen Punkt gerichtet) sowie die empfangsseitige optische Anordnung für die Aufnahme des Fluoreszenzimpulses aus dem Meßvolumen kann man nunmehr ohne räumliche Beschränkung vornehmen. Geeignet ist infolge des Rundstrahlcharakters der Fluoreszenzstrahlung eine Anordnung, bei der die Achse des Senders und des Empfängers in 90° Richtung senkrecht zueinander stehen, so daß auf Grund dieser Anordnung direktes Licht auf dem Sender infolge Restdurchlässigkeiten des Sperrfilters niemals in den Empfänger gelangen kann. Bei trübungsarmem Meßmedium kann man unter Umständen ohne Filter auf der Sender- oder Empfängerseite arbeiten.

Besonders vorteilhaft ist der Einsatz der Vorrichtung S im Hinblick auf die Einsparung des teueren Fluoreszenzmaterials bei der quantitativen Erfassung von Strömungen, etwa Mischungen von Meer- und FluBwasser, wobei tunlichst eine Konzentrationsgrenze von etwa 10-" Rhodamin B noch quantitativ erfaßt werden

ίο solL

Beispiel: 1 Kubikkilometer Seewasser entspricht 10¹⁵cm³. Um eine Konzentration an der Meßgrenze von etwa 10-" zu erreichen, braucht man also bereits 10⁴P= 10 kp Rhodamin B zu derzeitigem Preis von DM 300,—. Bei der konventionellen Technik müßte die Konzentration mindestens lOfach höher gewählt werden. Da eine hohe Anzahl von km^J erfaßt werden muß, geht aus diesem Zahlenbeispiel evident die wirtschaftliche Bedeutung der Erfindung hervor.

Bei Messungen in trüben Medien kann der empfangene Fluoreszenzwert verfälscht werden, auf Grund des Lichtvei iustes durch die Trübung, die sowohl das Licht des Senders bis zum Meßpunkt wie auch das Licht aus dem fluoreszierenden Meßvolumen zum Empfänger schwächt. Um nun den Umfang dieser Trübung gleichzeitig meßtechnisch zu erfassen und automatisch ein berichtigtes Meßergebnis zu erhalten, kann man zusätzlich zu dem Fluoreszenzlichtempfänger einen gleichartigen zweiten Empfänger anordnen, dessen lichtempfindliches Organ (Photodiode) mit einer Filterung versehen ist, die nicht das Fluoreszenzlicht, wohl aber das im Medium gestreute direkte Senderlicht erfaßt, wobei beide Empfänger eine Kompensationsanordnung speisen, in der die Trübung des Mediums eliminiert wird.

Dieser Streulichtempfänger zur Korrektur des Meßwertes liefert zunehmende Meßwerte, wenn die Trübung besonders stark ist, bei klaren Medien jedoch kein Signal. In an sich bekannter Schaltungstechnik kann man aus den Signalen diese dieser beiden Empfänger für Fluoreszenzlicht und Streulicht einen rektifizierten Ausgangswert bilden, der den jeweils erfolgten Verlust an Meßlicht durch Streuung durch das Resultat des zweiten Meßempfängers kompensiert.

Diese Problematik ist erst durch die in der Erfindung geschilderte Ausbildung als Impulsgerät möglich geworden, da vorher bei den bekannten Anordnungen nur so kleine Meßvolumina erfaßbar werden, daß Verlust durch Trübung keine Rolle spielten.

Die vorstehend geschilderten Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere deren geringer Wattverbrauch, führen in konsequenter Weiterentwicklung dazu, daß man die Stromversorgung über ein Kabel durchführen kann, so daß man nicht mehr gezwungen ist, entsprechend der Maßgabe des Hauptpatentes den Batterieteil tiefseefest eingekapselt an Sender und Empfänger anzubringen. Man braucht also bei Verwendung der erfindungsgemäßen Anregungslichtquelle nur dünne Kabel, z.B. mit Stahlseele und hoher Reißfestigkeit zwischen dem Schiff und der Meßschaltung, um die Blitzlampe zu betreiben.

Entsprechend ist die erfindungsgemäße Vorrichtung des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß die Impulslichtquelle mit ihrer Impulsenergie und Impulsfolgefrequenz so ausgelegt ist, daß der für die Wiederaufladung des Impulskondensators erforderliche mittlere Leistungsverbrauch kleiner ist als die durch ein hochohmiges Versorgungskabel hoher Reißlänge transportierba-

re elektrische Leistung, wobei dann der Stromversorgungsteil und/oder die Registiereinheit getrennt von Sender, Empfänger und Meßschaltung angeordnet und untereinander über ein Versorgungskabel verbunden sind. S

Man muß infolge des geringen Leistungsangebors am Ende eines solchen hochohmiger. Stahlseelenkabels großer Länge besorgt sein, daß das Fluorinreter genügend Spannung hat, also einen relativ vergleichbar hochohmigen Verbraucher bildet. Bezüglich des Kabels sind funktionell verkoppelt Kabellänge mit Reißfestigkeit und Widerstand, die Blitzfrequenz und die Blitzenergie. Diese drei Werte sind aufeinander derart abzustimmen, daß die vorliegende Meßaufgabe der oceanologischen Forschung durchführbar ist. Wenn man einem Kabel ζ. B. bei einem 10%igen Zusammenbruch der Spannung gegenüber der Bordspannung am Meßschiff nur 1 Watt entnehmen darf, wird man bei einem 50%igen Wirkungsgrad des Konverters für die Spannungsversorgung im Gerät mit einem minieren Leistungsangebot von nur '/2 Watt arbeiten dürfen, dementsprechend bei einem Betrieb von 1 Blitz pro Sekunde 0,5 Joule Speicherenergie in dem Entladungskondensator versehen. Man kann bei verringerter Meßgeschwindigkeit bei z. B. 1 Blitz pro Minute entsprechend größere Energiemengen, in diesem falle 30 Ws investieren. Dieses gestattet bereits hohe Spitzenenergien im Bereiche von 10⁶ ... 10⁸ cd, die um mehrere Dekaden die Empfindlichkeit erhöhen gegenüber der konventionellen Meßanordnung mit Glühlampe und Multiplier. Damit sind an großräumigen Meßvolumina die nicht mehr der örtlichen Statistik unterhegen. Konzentrationsmessungen auch bei extrem hohen Verdünnungen mit den entsprechenden Einsparungen an Fluoreszenzmaterial möglich bzw. Messungen geringer Bioplasmavorkommen im Meerwasser.

Je nachdem, ob man fluoreszierendes Material ζ. Β. Rhodamin B einsetzt oder ob man Bioplasma messen will wird man sowohl sendet- als auch empfängerseitig geeignete Filter verwenden, wobei das senderseitige Filter Wellenlängen durchlassen soll, die zu der Anregung der Fluoreszenz dienlich sind. Der empfangs seitige Filterbereich soll schmalbandiger sein und die vom fluoreszierenden Material emittierte Strahlung durchlassen, die auf Grund ihrer Natur eine Rundstrahlung ist Man kann Sende- und Empfangsfiiier für verschiedene Substanzen durch Fernbedienung umschaltbar ausbilden.

Durch die Erfindung wird somit ermöglicht, in nahezu beliebigem Abstand die Vorrichtung mit dünnem Kabel zu schleppen, z. B. in beliebigen Tiefen zu steuern gegebenfalls die Vorrichtung auch ortsfest z. B. in Form einer Boje mit Eigenbatterien auszuführen und bei Anwendung künstlichen Fluoreszenzmaterials dieses wesentlich zu sparen. Eine einfache Umstellung auf Bioplasma-Konzentrationsmessung ist möglich. Zugleich kann die Trübungsabsorption im Meßmedium kompensiert werden, was dem messenden Wissenschaftler die Freiheit gibt, sich auf das Wesentliche des Problems zu konzentrieren, ohne sich ständig mit der Apparatur selbst befassen zu müssen.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Sestimmen des Strömungsverlaufs, vorzugsweise in Meer- bzw. Mündungsgebieten von Flüssen, unter Verwendung von Fluoreszenzträgern, z. B. Rhodamin, die dem Wasser in geringer Konzentration zugesetzt werden, mit aus einem Meßteil und einem Batterieteil bestehenden Einrichtungen zum Nachweis und zur Registrierung dieser Fluoreszenzträger, wobei der Meßteil einen Blaulichtimpulssender hoher Leistung, einen Impulsiichtempfänger für Fluoreszenzlicht, z. B. Rhodaminresonanzlicht, eine Meßschaltung und die Registriereinheit enthält und ferner der Meßteil und der Batterieteil tiefseefest in einem oder mehreren Kästen eingekapselt und im Wasser versenkbar sind nach Patent 1815886.6 dadurch gekennzeichnet, daß als Anregungslichtquelle für die Fluoreszenz eine im Mikrosekundenbereich arbeitende Funkenentladungslampe mit automatischer Intensitätsstabilisierung verwendet ist, deren Parameter (Gasdruck. Gasart, Kondensator. Spannung und Induktivität) auf maximale Strahlungsemission im Fluoreszenzanregungsgebiet eingestellt ist und eine Blitzdauer hat, die länger als die Fluoreszenzträgheit ist. und daß der einem nachgeschalteten elektronischen Verstärker speichende Empfänger des Fluoreszenzlichtes ein Photosensor, vorzugsweise eine Halbleiterphotodiode oder ein nur mit wenigen Stufen arbeitender Photomultiplier ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu dem Fluoreszenzlicht empfänger ein zweiter Empfänger angeordnet ist, dessen Lichtempfindliches Organ (Photodiode) mit einer Filterung versehen ist, die nicht das Fluoreszenzlicht, wohl aber das im Medium gestreute direkte Senderlicht erfaßt, und daß beide Empfänger eine Kompensationsanordnung speisen, in der die Trübung des Mediums eliminiert wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die impulslichtquelle mit ihrer Impulsenergie und Impulsfolgefrequenz so ausgelegt ist, daß der für die Wiederaufladung des Impulskondensators erforderliche mittlere Leistungsverbrauch kleiner ist als die durch ein hochohmiges Versorgungskabel hoher Reißlänge transportierbare elektrische Leistung, wobei dann der Stromversorgungsteil und/oder die Registriereinheit getrennt von Sender, Empfänger und Meßschaltung angeordnet und untereinander über ein Versorgungskabel verbunden sind.