DE19509822C2 - Ölkonzentrations-Meßgerät - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Ölkonzentrations-Meßgerät der im An
spruch 1 beschriebenen Art.
Aus der WO 85 04 478 A1 sind bereits eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Bestimmung des Anteils von Kohlenwasserstoffen in Flüssigkeiten be
kannt. Die zu untersuchende Flüssigkeit gelangt in eine transparente
Meßküvette und wird mit Infrarotstrahlung mittels einer Strahlungsquel
le bestrahlt. Der Kohlenwasserstoffgehalt in der Flüssigkeit wird auf der
Basis der Differenz zwischen den Absorptionen ermittelt, die einmal ge
messen werden für die Flüssigkeit mit Kohlenwasserstoff und einmal nur
für die Flüssigkeit selbst. Die Messung des Infrarotabsorptionsspektrums
für die die Kohlenwasserstoffe enthaltende Flüssigkeit erfolgt in einem
vorgewählten, vergleichsweise weiten Wellenlängenbereich mit einer Brei
te, die jene überstreicht, in welcher sich die Absorption des zu untersu
chenden Kohlenwasserstoffs bemerkbar macht. Die Absorption der Flüs
sigkeit im Absorptionsbereich der Kohlenwasserstoffe wird durch Berech
nung ermittelt, und zwar unter Zuhilfenahme eines Spektralteils außer
halb des genannten Bereichs, so daß sich die Absorption des Kohlenwas
serstoffs innerhalb der Flüssigkeit auf der Grundlage der Differenz zwi
schen den genannten Absorptionen bestimmen läßt.
Darüber hinaus kann herkömmlicherweise auch ein Ölkonzentrations-
Meßgerät, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, als Vorrichtung zum Messen der
Konzentration von Öl z. B. in Abwasser verwendet werden. In Fig. 4 be
zeichnet die Bezugszahl 41 eine mit einer Probenzelle 42 und einer zu die
ser parallelen Bezugszelle 43 ausgestattete Zellenbank. Diese beiden Zel
len 42 und 43 sind an beiden Enden mit Zellenfenstern 42a bzw. 43a dicht
abgeschlossen, die aus Materialien bestehen, die im Infraroten gut strahlungsdurchlässig
sind, und die Probenzelle 42 Ist mit einem Probeneinlaß
42 und einem Probenauslaß 42c versehen, die dazu dienen, eine Probe S
zuzuführen bzw. auszugeben, die durch Extrahieren der Öle (HC-Kompo
nenten) durch z. B. ge
eignete extrahierende Lösungsmittel erhalten wurde. Außerdem
ist die Bezugszelle 43 mit Stickstoff 43b ohne Absorptions
band für Infrarotstrahlung als Bezugsprobe gefüllt.
Die Bezugszahl 44 bezeichnet einen Lichtquellenteil, der auf
einer Seite der Zellenbank 41 angeordnet ist und zwei Licht
quellen 45, 46 beinhaltet, die Infrarotstrahlung auf die
Probenzelle 42 bzw. die Bezugszelle 43 strahlen, wodurch
eine Struktur mit zwei Zellen und zwei Lichtquellen geschaf
fen ist. In jedem optischen Pfad ist ein Interferenzfilter
47 bzw. 48 für die Wellenlänge 3,4 µm vorhanden, die in
einem Absorptionsband von Ölen liegt. Außerdem bezeichnet
die Bezugszahl 49 einen optischen Zerhacker, der Infrarot
strahlen von den jeweiligen Lichtquellen 45, 46 intermittie
rend unterbricht, und die Bezugszahl 50 bezeichnet einen
Antriebsmotor.
Die Bezugszahl 51 bezeichnet einen Kondensatormikrophon-
Detektor, der an der anderen Seite der Zellenbank 41 ange
ordnet ist und mit zwei lichtempfangenden Kammern 51b, 51c
versehen ist, die durch eine Trennwand 51a so voneinander
getrennt sind, daß sie der Probenzelle 42 bzw. der Bezugs
zelle 43 entsprechen. Die Bezugszahl 52 bezeichnet einen
Verstärker, der das Ausgangssignal des Kondensatormikrophon-
Detektors 51 geeignet verstärkt. Das Ausgangssignal des Ver
stärkers 52 wird in einem (nicht dargestellten) Signalverar
beitungsteil eingegeben.
Die Bezugszahlen 53, 54 bezeichnen Abschirmplatten, die zwi
schen dem Lichtquellenteil 44 und der Zellenbank 41 bzw. der
Zellenbank 41 und dem Kondensatormikrophon-Detektor 51 vor
handen sind, um ein Gleichgewicht für die Lichtmengen von
den Lichtquellen herzustellen.
Bei einem Ölkonzentrations-Meßgerät mit dem vorstehend be
schriebenen Aufbau wird die Probenzelle 42 mit einer Probe S
versorgt, während die Lichtquellen 45, 46 eingeschaltet sind
und der optische Zerhacker 49 arbeitet. Dann treffen Infra
rotstrahlen, die durch die Bezugszelle 43 gelaufen sind, auf
die lichtempfangende Kammer 51c des Kondensatormikrophon-
Detektors 51, und zwar als ungeschwächtes Licht der Intensi
tät I₀, während Infrarotstrahlen, die durch die Probenzelle
42 gestrahlt wurden, teilweise durch die in der Probe S ent
haltenen Öle absorbiert werden, wodurch sie als Licht mit
einer Intensität I auf die lichtempfangende Kammer 51b fal
len. Demgemäß wird vom Kondensatormikrophon-Detektor 51 die
Differenz I₀-I ausgegeben, und durch Signalverarbeitung
dieses Ausgangssignals kann die Konzentration der in der
Probe S enthaltenen Öle bestimmt werden.
Jedoch sind beim vorstehend beschriebenen herkömmlichen Öl
konzentrations-Meßgerät die Probenzelle 42 und die Bezugs
zelle 43 parallel angeordnet, es sind zwei diese Zellen 42,
43 beleuchtenden Lichtquellen 45, 46 vorhanden, und es wird
ein Kondensatormikrophon-Detektor 51 verwendet, so daß die
Vorrichtung kompliziert ist und die Kosten hoch sind. Das
Interferenzfilter 47 im optischen Pfad auf der Seite der
Probenzelle 42 (optischer Pfad auf der Meßseite) und das
Interferenzfilter 48 im optischen Pfad auf der Seite der
Bezugszelle 43 (optischer Pfad auf der Normierungsseite)
bestehen aus Filtern mit demselben Absorptionswellenlängen
band, so daß dann, wenn Absorption durch andere Komponenten
als Öle vorliegen, ein Nachteil dahingehend auftritt, daß
kein Normierungslicht im strengen Sinn des Worts erhalten
werden kann und demgemäß die Tendenz besteht, daß ein Fehler
aufgrund von Änderungen im Lauf der Zeit hervorgerufen wird,
wie durch Drifterscheinungen der Lichtquellen 45, 46 und
Verunreinigungen der Zellenfenster sowie innerhalb der Zel
len (nachfolgend einfach als Zellenverunreinigungen bezeich
net).
Außerdem tritt ein Nachteil dahingehend auf, daß die Ölkon
zentration auf Grundlage des Ausgangssignals I₀-I vom Kon
densatormikrophon-Detektor 51 erhalten wird, jedoch in der
Nähe der Enden der Spanne des Ausgangssignals I₀-I erhöht
Fehler auftreten, wenn die Ausgangssignale der Lichtquellen
45, 46 schwanken.
Ferner ist die Handhabung bei Meßvorgängen ziemlich mühse
lig, da z. B. die Lichtmengen von den Lichtquellen 45, 46 so
eingestellt werden müssen, daß sie im Gleichgewicht sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein billiges Öl
konzentrations-Meßgerät mit einfachem Aufbau zu schaffen,
das durch keine zeitlichen Änderungen, wie Beeinträchtigun
gen der Lichtquellen, beeinflußt wird, das hochgenaue Mes
sungen ausführen kann, das keinen Einstellvorgang und der
gleichen benötigt und das einfach gehandhabt werden kann.
Das erfindungsgemäße Ölkonzentrations-Meßgerät ist durch die
Lehre des beigefügten Anspruchs 1 gegeben. Vorteilhafte Aus
gestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger
Ansprüche.
Beim erfindungsgemäßen Ölkonzentrations-Meßgerät ist nur
eine Lichtquelle für eine Zelle vorhanden, so daß Meßfehler,
die von Drifterscheinungen der Lichtquelleneinrichtung, von
Verunreinigungen der Zelle und dergleichen herrühren, besei
tigt werden können, wobei das erste Interferenzfilter, das
lediglich im Wellenlängenbereich der Absorption der Öle
durchlässig ist, im optischen Pfad des Meßdetektors vorhan
den ist, während das zweite Interferenzfilter, das über ein
breites Band einschließlich des Wellenlängenbands der Ab
sorption durch die Öle flache Transmissionscharakteristik
aufzeigt, im optischen Pfad des Bezugsdetektors vorhanden
ist, so daß Einflüsse durch Absorptionskomponenten neben de
nen, die durch die Öle bedingt sind, beseitigt werden kön
nen, wodurch hochgenaue Messungen selbst dann erzielt werden
können, wenn Absorption durch störende Komponenten vorliegt.
Bei diesem Ölkonzentrations-Meßgerät wird nicht die Diffe
renz zwischen dem Ausgangssignal auf der Normierungsseite
und dem auf der Meßseite verwendet, wie bei einem herkömm
lichen Meßgerät, sondern es wird das Verhältnis verwendet,
so daß selbst dann kein Meßfehler erzeugt wird, wenn die von
der Lichtquelle herrührende Lichtmenge schwankt. Außerdem
hat das Meßgerät vereinfachten Aufbau, und es ist billig,
während kein Einstellvorgang für die Lichtquelle erforder
lich ist und die Handhabung einfach ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines durch Figuren
veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das grob ein Ausführungsbei
spiel eines erfindungsgemäßen Ölkonzentrations-Meßgeräts
zeigt;
Fig. 2 ist eine Zeichnung, die ein Beispiel für ein Absorp
tionsspektrum zeigt, wie es erhalten wird, wenn die Konzen
tration von Schweröl unter Verwendung des Ölkonzentrations-
Meßgeräts von Fig. 1 gemessen wird;
Fig. 3 ist eine Zeichnung, die ein Absorptionsspektrum von
Flone S-316 zeigt, wie es als Extrahierlösungsmittel verwen
det wird; und
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm, das grob ein herkömmliches Öl
konzentrations-Meßgerät zeigt.
In Fig. 1 bezeichnet die Bezugszahl 1 eine Zellenbank, die
mit einer Zelle 2 ausgerüstet ist. Diese Zelle 2 besteht aus
hochkorrosionsbeständigen Materialien wie rostfreiem Stahl,
und sie ist an ihren beiden Enden mit Zellenfenstern 2a aus
einem Material, das für Infrarotstrahlung gut durchlässig
ist (z. B. Quarz) abgedichtet. Zusätzlich sind ein Proben
einlaß 2b und ein Probenauslaß 2c vorhanden, um eine Probe S
ein- und auszugeben, die durch Extrahieren von Ölen (HC-Kom
ponenten) mit z. B. Extrahierlösungsmitteln wie Flone S-316
erhalten wurde.
Die Bezugszahl 3 bezeichnet eine Lichtquelle, die an einer
Seite der Zellenbank 1 vorhanden ist, um der Zelle 2 Infra
rotstrahlung zuzuführen.
Die Bezugszahlen 4, 5 bezeichnen einen Meßdetektor bzw.
einen Bezugsdetektor, die parallel zueinander auf der ande
ren Seite der Zellenbank 1 angeordnet sind. Sowohl der Meß
detektor 4 als auch der Bezugsdetektor 5 sind z. B. ein
pyroelektrischer Infrarotdetektor. Ein erstes Interferenz
filter 6 für eine Wellenlänge von 3,4 µm, die innerhalb des
Absorptionsbands von Ölen liegt, ist auf der Lichtempfangs
seite des Meßdetektors 4 vorhanden. Insbesondere ist dieses
erste Interferenzfilter 6 ein optisches Filter mit einer
Mittenwellenlänge von 3,4 µm und einer Halbwertsbreite von
ungefähr 9% (ungefähr 0,3 µm, ungefähr das Doppelte wie bei
einem herkömmlichen Filter).
Außerdem ist ein zweites Interferenzfilter 7 mit flacher
Transmissionscharakteristik in einem breiten Band (z. B. 1
bis 5 µm), das die Absorptionswellenlänge von 3,4 µm der Öle
umfaßt, auf der Lichtempfangsseite des Bezugsdetektors 5 an
geordnet. Insbesondere ist dieses zweite Interferenzfilter 7
ein breitbandiges Bandpaßfilter (ein optisches Filter) mit
einem Transmissionsvermögen von 20% oder weniger innerhalb
eines Bands von 1 µm bis 5 µm.
Der Grund für das zweite Interferenzfilter 7 in Form eines
breitbandigen Bandpaßfilters im optischen Pfad des Bezugs
detektors 5 ist der, daß Hintergrundeinflüsse, die von
Schwankungen der Lichtquelle 3 und dergleichen herrühren,
dann verringert werden, wenn Licht innerhalb eines Wellen
längenbands verwendet wird, das so breit wie möglich ist.
Kurz gesagt, wird durch das Verwenden des breitbandigen
Bandpaßfilters das Ausgangssignal des Bezugsdetektors 5
(Ausgangssignal für Normierungslicht) innerhalb des Trans
missionswellenlängenbands so integriert, daß es proportional
zu diesem Transmissionswellenlängenband ist. In diesem Fall
erfolgt auch Transmission bei den Absorptionswellenlängen
von Ölen, jedoch macht ihr Ausgangspegel nur ungefähr 1/10
des Gesamtwerts aus. Demgemäß machen auch Einflüsse von
Schwankungen innerhalb deren Wellenlängenband nur 1/10 der
Schwankungen für das gesamte Normierungslicht aus, so daß
solche Schwankungen vernachlässigt werden können, obwohl sie
auftreten.
Die Bezugszahl 8 bezeichnet einen optischen Zerhacker, der
zwischen der Zellenbank 1 und den Interferenzfiltern 6, 7
vorhanden ist. Dieser optische Zerhacker 8 wird durch einen
Motor 9 so angetrieben, daß er Infrarotstrahlen, die durch
die Zelle 2 gelaufen sind, mit geeignetem Zyklus intermit
tierend unterbricht.
Die Bezugszahlen 10, 11 bezeichnen Vorverstärker, die das
Ausgangssignal vom Meßdetektor 4 bzw. vom Bezugsdetektor 5
geeignet bearbeiten. Ein Verstärker 12 verstärkt die Aus
gangssignale der Vorverstärker 10, 11 und nimmt an ihnen
eine A/D-Umsetzung vor. Ein Verarbeitungsteil 13 beinhaltet
einen Mikrocomputer oder dergleichen. In diesem Verarbei
tungsteil 13 wird der Wert log (I₀/I) aus dem Signal I auf
der Seite des Meßdetektors 4 und dem Signal I₀ auf der Seite
des Bezugsdetektors 5 berechnet; die Ölkonzentration kann
auf Grundlage dieses Werts log (I₀/I) erhalten werden.
Beim Ölkonzentrations-Meßgerät mit dem vorstehend beschrie
benen Aufbau wird ein Ausgangssignal I für das Ölabsorption-
Wellenlängenband betreffend die in der Probe S enthaltenen
Öle seitens des Meßdetektors 4 ausgegeben. Außerdem wird vom
Bezugsdetektor 5 ein Ausgangssignal I₀ für Normierungslicht,
das proportional zu den hindurchgestrahlten Infrarotstrahlen
ist, die im Band von 1 bis 5 µm integriert wurden, ausgege
ben. In diesem Fall wird auch Licht in den Ölabsorptions-
Wellenlängen auf die Normierungslichtseite durchgestrahlt,
jedoch macht ihr Ausgangspegel nur ungefähr 1/10 des Gesamt
pegels aus, wie in Fig. 2 dargestellt, so daß dieser Anteil
vernachlässigt werden kann. Im Verarbeitungsteil 13 wird die
Konzentration des Öls in der Probe S durch das Berechnen von
log (I₀/I) (Berechnung des Absorptionsvermögens) erhalten.
Beim vorstehend beschriebenen Ölkonzentrations-Meßgerät ist
lediglich eine Lichtquelle 3 für eine Zelle 2 vorhanden, so
daß Meßfehler, die von Drifterscheinungen der Lichtquelle 3,
einer Verunreinigung der Zelle 2 und dergleichen herrühren,
beseitigt werden können. Außerdem ist im optischen Pfad des
Meßdetektors 4 das erste Interferenzfilter 6 enthalten, das
lediglich im Wellenlängenbereich der Ölabsorption durchläs
sig ist, während im optischen Pfad des Bezugsdetektors 5 das
zweite Interferenzfilter 7 enthalten ist, das flache Trans
missionscharakteristik über ein breites Band zeigt, zu dem
die Absorptionswellenlängen der Öle gehören, so daß die Ein
flüsse durch Absorptionskomponenten neben den Ölen beseitigt
werden können, weswegen hochgenaue Meßwerte erzielt werden
können, selbst wenn derartige Komponenten vorhanden sind.
Beim vorstehend beschriebenen Ölkonzentrations-Meßgerät wird
nicht die Differenz zwischen dem Ausgangssignal I₀ auf der
Normierungsseite und dem Ausgangssignal I auf der Meßseite
verwendet wie beim herkömmlichen Meßgerät, sondern im Verar
beitungsteil 13 wird der Wert log (I₀/I) berechnet, so daß
die Berechnung des Absorptionsvermögens genauer als beim
herkömmlichen Meßgerät ausgeführt werden kann. Außerdem wird
selbst dann kein Meßfehler erzeugt, wenn die Lichtmenge der
Lichtquelle 3 schwankt. Ferner hat das Meßgerät vereinfach
ten Aufbau, und es ist billig. Außerdem ist kein Einstell
vorgang in bezug auf die Lichtquelle erforderlich, und die
Handhabung ist einfach.
Fig. 2 ist eine Zeichnung, die ein Beispiel für ein Absorp
tionsspektrum zeigt, wie es erhalten wird, wenn die Konzen
trationen schwerer Öle unter Verwendung des vorstehend be
schriebenen Ölkonzentrations-Meßgeräts gemessen werden, und
Fig. 3 ist eine Zeichnung, die das Absorptionsspektrum von
Flone S-316 zeigt, wie es als Extrahierlösungsmittel verwen
det wird.
Beim vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbei
spiel wird die Ölkonzentration auf Grundlage einer Berech
nung des Werts log (I₀/I) bestimmt, jedoch kann lediglich
der Wert I₀/I berechnet werden, wobei Terme vom zweiten Grad
oder höher linearisiert werden. In diesem Fall kann die Be
lastung eines Mikrocomputers verringert werden.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene be
vorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern sie kann
auf verschiedene Weise modifiziert werden. Z. B. sind die
Detektoren 4, 5 nicht auf pyroelektrische Infrarotdetektoren
beschränkt, sondern es können andere Festkörperdetektoren
sein, wie Halbleiterdetektoren, oder es können Kondensator
mikrophon-Detektoren sein. Außerdem können, was nicht darge
stellt ist, mehrere Meßdetektoren 4 vorhanden sein, und die
se Detektoren 4 können mit mehreren Interferenzfiltern ver
sehen sein, die in den Wellenlängenbereichen der Ölabsorp
tionen nicht durchlässig sind, und mit mehreren Interferenz
filtern, die lediglich in den speziellen Wellenlängenberei
chen der Ölabsorptionen durchlässig sind, so daß die Konzen
trationen mehrerer Arten von Öl getrennt gemessen werden
können. Ferner kann der optische Zerhacker 8 zwischen der
Zelle 2 und der Lichtquelle 3 vorhanden sein. Auch kann die
Lichtquelle 3 mit einem angegebenen Zyklus intermittierend
betrieben werden, anstatt daß ein optischer Zerhacker 8 zum
Ausführen von Modulation verwendet wird.
Wie vorstehend beschrieben, ist bei der Erfindung lediglich
eine Lichtquelle für eine einzige Zelle vorhanden, so daß
Meßfehler, wie sie von Drifterscheinungen der Lichtquelle,
Verunreinigungen der Zelle und dergleichen herrühren, besei
tigt werden können. Außerdem ist ein erstes Interferenzfil
ter, das lediglich in den Wellenlängenbereichen der Ölab
sorptionen durchlässig ist, im optischen Pfad des Meßdetek
tors vorhanden, und das zweite Interferenzfilter, das flache
Transmissionscharakteristik in einem breiten Band, das die
Wellenlängen der Ölabsorptionen enthält, im optischen Pfad
des Bezugsdetektors vorhanden, so daß die Einflüsse durch
andere Absorptionskomponenten als die Öle beseitigt werden
können, wodurch selbst dann hochgenaue Messungen erzielt
werden können, wenn derartige Komponenten vorhanden sind.
Beim vorstehend beschriebenen Ölkonzentrations-Meßgerät wird
nicht die Differenz zwischen dem Ausgangssignal auf der
Standardseite und dem auf der Meßseite berechnet wie bei
einem herkömmlichen Meßgerät, sondern es wird das Verhältnis
gebildet, so daß selbst dann kein Meßfehler erzeugt wird,
wenn die von der Lichtquelle herrührende Lichtmenge
schwankt. Außerdem hat das Meßgerät vereinfachten Aufbau,
und es ist billig, während kein Einstellvorgang für die
Lichtquelle erforderlich ist und die Handhabung einfach ist.
Claims (4)
1. Ölkonzentrations-Meßgerät mit:
- - einer Zelle (2), der eine Probe (S) zugeführt wird, die Öle in Lösungsmitteln enthält;
- - einer Lichtquelle (3), die Infrarotstrahlung auf die Zelle ausstrahlt;
- - einem Meßdetektor (4) und
- - einem ersten Interferenzfilter (6), das im opti schen Pfad zwischen der Lichtquelle und dem Meßdetektor angeordnet ist; wobei
- - das erste Interferenzfilter lediglich in den Wel lenlängenbereichen der Ölabsorptionen durchlässig ist;
- - ein Bezugsdetektor (5) vorhanden ist, der ebenfalls die durch die Zelle gelaufene Strahlung mißt; und
- - ein zweites Interferenzfilter (7) im optischen Pfad zwischen der Lichtquelle und dem Bezugsdetektor vor handen ist, das flache Transmissionscharakteristik in einem breiten Band zeigt, das die Absorptionswellen längen der Öle beinhaltet.
2. Ölkonzentrations-Meßgerät nach Anspruch 1, da
durch gekennzeichnet, daß die Ölkonzentration auf
Grundlage des Werts I₀/I berechnet wird, wobei I das
Ausgangssignal des Meßdetektors (4) ist und I₀ das Aus
gangssignal des Bezugsdetektors (5) ist.
3. Ölkonzentrations-Meßgerät nach Anspruch
1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste In
terferenzfilter (6) aus einem optischen Filter mit ei
ner Mittenwellenlänge von 3,4 µm und einer Halbwerts
breite von ungefähr 9% (ungefähr 0,3 µm) besteht, wäh
rend das zweite Interferenzfilter (7) aus einem opti
schen Filter mit einem Transmissionsvermögen von 20%
oder weniger innerhalb eines Bands von 1 µm bis 5 µm be
steht.
4. Ölkonzentrations-Meßgerät nach einem der Ansprü
che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im optischen
Pfad von der Lichtquelle (3) zu den Detektoren (4, 5)
ein Zerhacker (8) vorhanden ist, der das Licht inter
mittierend unterbricht.
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