DE2135076C3 - Vorrichtung zur Bestimmung der Schwebefeststoffkonzentration in einer Flüssigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Schwebefeststoffkonzentration in einer Flüssigkeit der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Solche Vorrichtungen werden insbesondere zur Untersuchung der Wasserqualität in einer Kläranlage eingesetzt

Für die verschiedenen Einsatzzwecke sind jeweils unterschiedliche Ausführungsformen solcher Vorrichtungen entwickelt worden, die von reinen Laboratoriumsgeräten bis zu industriellen Instrumenten reichen.

Aus der DEAS 14 98 604 ist eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Menge von in strömenden Flüssigkeiten suspendierten Feststoffteilchen bekannt, deren fotoelektrische Einrichtung aus drei an verschiedenen Stellen einer Meßzelle angeordneten, lichtempfindlichen Elementen mit ausgeprägter Richtungsempfindlichkeit besteht, von denen zwei im gleichen spitzen Winkel und das dritte in einem stumpfen Winkel zum einfallenden Lichtbündel angeordnet sind; die Winkel sind dabei derart aufeinander abgestimmt, daß der veränderliche Einfluß des Reflexionsvermögens der zu messenden Teilchen ausgeschaltet wird. Eine solche Vorrichtung ist jedoch sehr aufwendig, da einmal drei verschiedene lichtempfindliche Elemente verwendet werden müssen, zum anderen die angegebenen Winkelbeziehungen sehr genau eingehalten werden müssen und schließlich eine periodische Eichung der Vorrichtung erforderlich ist.

Weiterhin ist aus der DE-OS 19 51009 eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration von in einem fluiden Medium suspendierten Feststoffen bekannt, die zwei Fotozellen aufweist, die so angeordnet sind, daß die erste Fotozelle von einer Lichtquelle ausgehendes und unter einem Winkel von ungefähr 180° von den festen, Teilchen reflektiertes Licht aufnimmt, während Licht von der Lichtquelle direkt auf die zweite Fotozelle fällt; die von der ersten und zweiten Fotozelle erzeugten Signale stellen ein Maß für die Feststoffkonzentration in der Meßkammer dar. Dabei müssen jedoch konstruktiv ziemlich aufwendige Maßnahmen getroffen werden, um die Beeinflussung des Meßergebnisses durch andere Parameter weitgehend auszuschalten.

Aus der US-PS 35 10666 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Schwebefeststoffkonzentration in einer flüssigkeit bekannt, bei der ein lichtempfindliches Element nur das gestreute Licht von einer Quelle empfängt, während ein anderes lichtempfindliches Element sowohl das gestreute als auch das direkt durchgeiassene licht von der Quelle empfängt Das

tu Verhältnis der elektrischen Ausgangssignale der beiden lichtempfindüchen Einrichtungen wird auf ein Anzeigegerät gegeben, das eine lineare Anzeige für die Schwebefeststoffkonzentration über einen relativ weiten Bereich liefert Mit diesem Verfahren soll eine

ι ϊ »Eichung« der Lichtquelle erreicht werden.

Schließlich ist aus der US-PS 26 82613 noch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Schwebefeststoffkonzentration in einer Flüssigkeit der angegebenen Gattung bekannt

in Bei den herkömmlichen Vorrichtungen wurde also entweder die von den Schwebefeststoffen seitlich gestreute Lichtmenge oder die an den Schwebefeststoffen reflektiette Lichtmenge gemessen.
Nimmt bei einer solchen Vorrichtung jedoch die

z; Konzentration der Schwebefeststoffe zu, so wird das Ausgangssignal des fotoelektrischen Wandlers nicht linear und fallt für hohe Konzentrationswerte nach Durchlaufen eines Maximums ab; jedem Meßsignal sind also zwei Konzentrationswerte zugeordnet; da jedoch

!<> die Auswerteinheit nicht zwischen niedrigen und hohen Schwebefeststoffkonzentrationen »unterscheiden« kann, läßt sich das Ausgangssignal einer solchen Vorrichtung beispielsweise nicht zur Steuerung einer Kläranlage benutzen.

r> Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der angegebenen Gattung zu schaffen, die eine eindeutige Anzeige des Konzentrationswertes liefert

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im

in kennzeichnenden Teil des Anspruchs I angegebenen Merkmale gelöst

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen darauf, daß durch eine auf elektrischem Wege einfach durchzuführende Maßnahme, nämlich durch die Bildung

r, des logarithmischen Verhältnisses der Ausgangssignale der Wandler, die oben erwähnte Mehrdeutigkeit ausgeschlossen wird, also jedem Ausgangssignal eindeutig ein Konzentrationswert zugeordnet werden kann. Deshalb läßt sich eine solche Vorrichtung auch zur

i) Steuerung des Betriebs einer Kläranlage einsetzen. Außerdem liefert eine solche Vorrichtung auch über einen weiten Meßbereich für die von der Praxis gestellten Anforderungen eine hinreichend lineare Anzeige der Schwebefeststoffkonzentration, so daß das

-,i Ausgangssignal der Vorrichtung zur äußerst exakten Steuerung einer Kläranlage eingesetzt werden kann. Dabei ist kein großer konstruktiver und apparativer Aufwand erforderlich, da, wie erwähnt, die Bildung des logarithmischen Verhältnisses mittels einer einfachen,

hu als fertiges Bauelement erhältlichen Schaltung durchgeführt werden kann.

Und schließlich erfolgt bei der Bildung des logarithmischen Verhältnisses eine Art automatische Kompensation der Meßfehler der verwendeten fotoelektrischen

in Wandler, die sich aufgrund der üblichen Herstellungstoleranzen nie ganz vermeiden lassen; denn durch die Bildung dieses logarithmischen Verhältnisses ergibt sich ein Fehler von weniger als 1% des Meßwertes

selbst dann, wenn von fotoelektrischen Wandlern ausgegangen wird, die jeweils einen Meßfehler von 10% haben. Im Vergleich mit den bekannten Vorrichtungen stellt dies eine wesentliche Verbesserung der Meßgenauigkeit dar.

Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Bestimmung der Schwebefeststoffkonzentration in einer Flüssigkeit, die als Tauchsonde ausgebildet ist,

F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie 2—2 von F i g. 1,

Fig.3 eine Kurvendarstellung des Ausgangssignals der beiden in unterschiedlichem Abstand von der Lichtquelle angeordneten fotoelektrischen Wandlers mit einer genauen Angabe der Schwebefeststoffkonzentration vor der Bildung des logarithmischen Verhältnisses,

Fig.4 ein Blockschaltbild einer elektrischen Schaltung zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals, das die Schwebefeststoffkonzentration in einem Behälter darstellt,

Fig.5 die Anordnung einer solchen, als Sonde ausgestalteten Vorrichtung in einem Behälter, der eine Flüssigkeit mit Schwebefeststoffen enthält,

F i g. 6 eine Ausführungsform einer solchen, als Sonde ausgestalteten Vorrichtung, die in einem Rohr montiert ist,

F i g. 7 eine Ausführungsform einer Vorrichtung, die zwischen den Flanschen zweier aneinanderstoßender Rohre angeordnet ist, und

F i g. 8 einen Schnitt längs der Linie 8—8 von F i g. 7.

Bei den in den verschiedenen Figuren dargestellten, verschiedenen Ausführungsformen der Vorrichtung zur Bestimmung der Schwebefeststoffkonzentration in einer Flüssigkeit sind jeweils gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In den F i g. 1 und 2 ist eine Vorrichtung dargestellt, die als Tauchsende ausgebildet ist, also in eine Flüssigkeit eingetaucht werden kann Darüber hinaus enthält diese Vorrichtung eine elektronische Einrichtung zur Bildung des logarithmischen Verhältnisses, die im einzelnen in Fi g. 4 dargestellt ist; diese Einrichtung gibt exakt die Schwebefeststoffkonzentration in der Flüssigkeit an.

Wie sich aus den F i g. 1 und 2 ergibt, besteht die im folgenden als »Sonde« bezeichnete Vorrichtung aus einem zylindrischen Gehäuse 12 mit einer Innenbohrung J 4, die an einem Ende fest und an dem anderen Ende mit einem Deckel 16 verschlossen ist, der durch einen Bajonettverschluß, einem Schraubverschlnß oder einem anderen, geeigneten Verschluß an dem Gehäuse 12 befestigt ist; zwischen dem Deckel 16 und dem Gehäuse 12 befindet sich eine Dichtung 18.

Das Gehäuse 12 weist öffnungen auf, in die ein Kolben 20 einer Glühbirne sowie fotoelektrische Wandler 22,24 eingeführt werden, die an dem Gehäuse befestigt, beispielsweise angeschraubt, sind. Leiterpaare 26, 28 und 30 verbinden die Glühbirne und die fotoelektrischen Wandler mit Kontaktzapfen 31, die an dem Deckel 16 angebracht sind. Eine Stromquelle 32 liefert elektrischen Strom über ein Kabel 34 und einen Stecker zu den im Deckel montierten Kontaktzapfen 31 sowie von dort zu den Leiterpaaren.

Um die Sonde wasserdicht zu verschließen, ist auf das zylindrische Gehäuse 12 eine Umhüllung 36 aus Polyäthylen, Polytetrafluoräthylen oder einem anderen, durchscheinenden Material aufgeschrumpft Um das Gehäuse 12 herum sind in Nuten O-Ringe 38 angeordnet, um die sich die Umhüllung 36 sicher abdichtend spannt

Wenn die Sonde in Abwasser eingetaucht wird, bildet sich auf ihrer Oberfläche langsam ein FUm, der die Lichtdurchlässigkeit von der Glühbirne 20 zu den Schwebefeststoffen in der Flüssigkeit sowie die ίο Reflexion des Lichtes von den Schwebefeststoffen zu den fotoelektrischen Wandlern beeinträchtigt Eine Umhüllung 36 aus Polytetrafluoräthylen umschließt jedoch die Sonde nicht nur flüssigkeitsdicht, sondern bewirkt auch eine äußerst geringe Filmbildung auf der Oberfläche der Sonde. Dies ist auf den geringen Reibungskoeffizienten von Polytetrafluoräthylen zurückzuführen. Außerdem treffen bei der Abwasserströmung dauernd Teilchen auf die Oberfläche der Sonde, so daß diese »abgestrichen« und damit ständig »gereinigt« wird.

Selbstverständlich können außer Polytetrafluoräthylen auch noch andere Werkstoffe mit geringem Reibungskoeffizienten als Material für die Umhüllung 36 verwendet werden, um die unerwünschte Filmbildung auf den durchscheinenden Oberflächen der Sonde möglichst gering zu halten.

Die in Fig.4 dargestellte Einrichtung liefert ein Signal, das der Schwebefeststoffkonzentration in der Flüssigkeit direkt proportional ist, so daß man

iü herkömmliche Steuer- und Aufzeichnungseinrichtungen zur Steuerung der Kläranlage benutzen kann. Ein solches System zur Steuerung der Kläranlage ist in der deutschen Patentanmeldung P 21 08 812.0 der Anmelderin dargestellt

r, Die Schwebefeststoffe in der Flüssigkeit beeinträchtigen direkt die Lichtdurchlässigkeit der Flüssigkeit, wobei gleichzeitig zwei Effekte auftreten. Einerseits wird Licht von den Schwebefeststoffen absorbiert, was sich durch eine Verringerung der Intensität des durch die Flüssigkeit verlaufenden Lichtstrahles bemerkbar macht Andererseits erfährt das Licht eine Streuung oder Reflexion durch die Feststoffe, so daß man eine größere Trübheit der Flüssigkeit erkennt, wenn man diese unter einem Winkel zum einfallenden Lichtstrahl

4■-, betrachtet Beide Effekte treten bei jeder Konzentration auf und stehen in gegenseitiger Beziehung zueinander.

Wenn man versucht, die Schwebefeststoffkonzentration unter Benutzung der Lichtrückstreuung zu messen, und dabei eine Fotozelle benutzt, um das von den Schwebefeststoffen zurückgestreute Licht zu messen, so nimmt das Signal der Fotozelle bis zu einer gewissen Schwebefeststoffkonzentration gleichmäßig zu. Bei höheren Schwebefeststoffkonzentrationen wird das Signal dann nichtlinear, durchläuft im allgemeinen das Maximum der Kurve und nimmt mit zunehmender Konzentration schnell ab. Beim Absinken der Kurve kann die Ablesevorrichtung jedoch nicht zwischen niedrigen und hohen Schwebefeststoffkonzentrationen unterscheiden. Darüber hinaus wird der Ausgangsstrom

Mi der Fotozelle nicht nur von der Schwebefeststoffkonzentration, sondern auch von der Helligkeit der Lichtquelle, die mit zunehmendem Alter des Glühfadens abnimmt, sowie von einer Änderung der elektrischen Spannung und von dem Film beeinflußt, der sich auf den

ι,-, optischen Flächen der Sonde gebildet haben kann. Bei den herkömmlichen Vorrichtungen verursachten einzelne oder mehrere dieser Variablen falsche Anzeigen der Schwebefeststoffkonzentration der untersuchten Flüs-

sigkeit

Diese für die Messung der Schwebefeststoffkonzentration nachteiligen Faktoren werden durch die Verwendung von zwei Fotozellen beseitigt, die in unterschiedlichem Abstand von der Lichtquelle angeordnet sind, ν?ie es m den F i g. 1 und 2 dargestellt ist. Obwohl das Ausgangssignal jeder einzelnen Fotozelle nichtlinear im oben beschriebenen Sinne ist, entsteht bei der Bildung des logarithmischen Verhältnisses der beiden Signale ein Ausgangssignal das direkt proportional zu der Schwebefeststoffkonzentration ist und folglich die zuverlässige Ablesung dieser Schwebefeststoffkonzentration ermöglicht Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, daß das logarithmische Verhältnis durch Änderungen der Heiligkeit der Lichtquelle infoige Alterung durch eine Abnahme der elektrischen Spannung und durch die Bildung von Ablagerungen auf den optischen Oberflächen praktisch nicht beeinflußt wird.

Grundsätzlich sprechen die beiden fotoelektrischen Wandler auf die Lichtabsorptionseffekte an und folgen daher dem Beerschen Lichtabsorptionsgesetz, demzufolge Licht in einer Exponential-Beziehung zum Abstand und zur Konzentration absorbiert wird. Das nicht von den Schwebefeststoffen absorbierte Licht erreicht die Fotozellen durch Reflexion oder Rückstreuung von den Schwebefeststoffen. Die Verwendung einer das logarithmische Verhältnis bildenden Einrichtung bildet aufgrund des logarithmischen Absorptionsgesetzes ein lineares Signal.

Bei dem in Fig.3 dargestellten Diagramm sind auf der Abszisse die Schwebefeststoffkonzentration in Teilen je Million und auf der Ordinate der Fotozellen strom in Mikroampere sowie das logarithmische Verhältnis des Stroms der näher bei der Lichtquelle liegenden Fotozelle zu dem Strom der ferner liegenden Fotozelle aufgetragen. Man sieht, daß die Kurve /„ (naheliegende Fotozelle) und die Kurve //(fernliegende Fotozelle) von links nach rechts nahezu linear ansteigen und nach Erreichung des Maximums mit steigender Konzentration exponentiell gleichmäßig abfallen. Wenn beim gewählten Beispiel Licht von einer Glühbirne 20 in eine Schwebefeststoffe enthaltende Flüssigkeit gestrahlt wird, steigt der Strom der Fotozelle mit zunehmender Schwebefeststoffkonzentration nahezu linear an. Wenn die Feststoffkonzentxation etwa 250 Teile je Million erreicht, haben beide Kurven /„ und //ihr Maximum bei 750 bzw. 275 Mikroampere. Der Unterschied in der Größe des Stromes bei beiden Kurven folgt daraus, daß die der Lichtquelle näher liegende Fotozelle eine größere Menge des von den Schwebefeststoffen reflektierten Lichtes empfängt als die der Lichtquelle ferner liegende Fotozelle.

Wenn die Schwebefeststoffkonzentration über 250 Teile je Million ansteigt, nimmt die Menge des reflektierten Lichtes, das den Weg zurück zu den Fotozellen findet, ab.

Es liegt auf der Hand, daß aufgrund dieses Effektes keine der Fotozellen allein beispielsweise zwischen 200 und 1000 Teilen je Million Schwebefeststoffen unterscheiden kann.

Dieser Nachteil wird durch die in Fi g. 4 dargestellte Schaltung beseitigt, die das logarithmische Verhältnis bildet, so daß ein Ausgangssignal entsteht, das der Konzentration der Schwebefeststoffe Ober einen großen Bereich proportional ist

Die in Fig.4 dargestellte Schaltung weist eine Stromquelle 32 auf, die an die Glühbirne 20 und die

Fotozellen 22 und 24 angeschlossen ist. Wenn Licht in die Flüssigkeit gestrahlt wird, sprechen die Fotozellen auf das reflektierte Licht an und erzeugen entsprechend der Schwebefeststoffkonzentration Ausgangsströme /„ und //, wie es oben beschrieben wurde. Die Ströme I_n und If werden dem Wandler 50 zugeführt, der eine Ausgangsspannung

-π - log,;

erzeugt Diese Spannung eo wird in einem Verstärker 52 um der. Faktor K verstärkt, so daß eine Spannung ei entsteht mit

- K log

/„ (Licht der nahen Fotozelle)
I₁ (Licht der entfernten Fotozelle)

Die Spannung ei wird dann einem Voltmeter 54

zugeleitet, das mit einer linearen Skala in Teilen je Million Schwebefeststoffkonzentration versehen ist. Ein veränderlicher Widerstand 56 steuert den Ausgang des Verstärkers 52, um den Verstärkungsfaktor K zu verändern und eine entsprechende Änderung des

Voltmeters 54 zu bewirken.

Es ist wünschenswert, aber nicht erforderlich, daß die Stromquelle 32 reguliert und konstant gehalten wird. Wenn sich jedoch die Spannung um einen Prozentsatz P ändert, dann ändert sich die zu den Fotozellen 22, 24

jo reflektierte Lichtmenge entsprechend. Da jedoch die prozentuale Änderung der Spannung die gleiche ist, beeinflußt die Zunahme oder Abnahme der Lichtintensität infolge einer solchen Änderung direkt beide Fotozellen im gleichen Maße, so daß ihr Effekt

j5 ausgeglichen wird. Die Spannung e& bleibt daher bei einer Spannungsänderung in der Stromquelle unverändert

Das gleiche gilt für Änderungen der Helligkeit der Lichtquelle etwa infolge Alterung des Glühfadens, sowie für eine Änderung der Lichtintensität infolge der Bildung eines Films auf der Umhüllung 36, welche die Lichtquelle und die Fotozellen bedeckt Solche Änderungen beeinflussen beide Fotozellen im gleichen Verhältnis, so daß diese Änderungen automatisch kompensiert werden.

Fig.5 zeigt die Anordnung einer Sonde gemäß F i g. 1 und 2 in einem Behälter. Die meisten Schaltungselemente (Fig.4) sind an einer von der Sonde entfernten Stelle angeordnet Da die Sonde 10 in

5n der Flüssigkeit arbeiten soll, wird sie mit einer Schelle 60 entweder an der Oberseite des Behälters 62 montiert oder von einer dem Behälter zugeordneten Tragkonstruktion gehaltert Durch die Anordnung der Sonde unter einem Winkel zu der durch die Pfeile 63 dargestellten Flüssigkeitsströmung erreicht man, daß grobe Schwebefeststoffe, die im Behälter zirkulieren, an der Umhüllung 36 entlangstreichen und dadurch die Bildung eines Films auf der Oberfläche der Umhüllung äußerst gering bleibt

bo Bisher wurde die Montage der Sonde in einem Behälter erläutert Die Sonde kann jedoch auch in einem Rohr oder in einer anderen, eine Schwebestoffe enthaltende Flüssigkeit leitenden Einrichtung angeordnet werden, um die Schwebefeststoffkonzentration zu ermitteln.

So ist beispielsweise in Fig.6 ein zwischen zwei Rohrabschnitten 66 und 68 angeordneter Rohrabschnitt 64 dargestellt, der eine Art Hahngehäuse 70 enthält

durch das mittig die Sonde 10 in das Rohr hineinragt. O-Ringe 72 dichten die Anordnung nach außen ab.

Beim dargestellfen Ausführvnesbeispiel ist die Sonde unter einem Winkel von 30° angeordnet. Dieser Winkel kann jedoch für andere Anwendungsfälle auch eine andere Größe haben. Die Glühbirne 20 und die Fotozellen 22 und 24 sollen stromaufwärts angeordnet sein, damit die Flüssigkeit beim Vorbeistreichen an diesen Teilen deren Oberfläche sauber halten kann.

Wenn die Strömungsrichtung beim Betrieb umgekehrt wird, wie es beispielsweise bei einer Umkehrpumpe der Fall ist, ordnet man die Sonde zweckmäßig senkrecht an, statt sie gemäß der Darstellung unter einem Winke! zur Strömungsrichtung zu montieren.

Bei der in den F i g. 7 und 8 dargestellten Ausführungsform sind die Glühbirne 20 und die Fotozellen 22 und 24 in einem Zylinderring 80 montiert, der zwischen den Flanschen von benachbarten Rohrabschnitten 82 und 84 angeordnet werden kann. Dichtungen 86 bilden einen wasserdichten Anschluß, wenn die Flansche zusammengeschraubt werden. Die Licht abstrahlenden und Licht aufnehmenden Teile werden vorzugsweise zur Unterseite des Rohres hin angeordnet, um sicherzustellen, daß sie immer von der durch die Leitung fließenden Flüssigkeit bedeckt sind. Da schwerere Teilchen am Boden des Rohres entlangfließen, bestreichen diese die Oberfläche der lichtdurchlässigen Fenster und »reinigen« sie.

Selbstverständlich kann diese Vorrichtung nicht nur für sichtbares Licht, sondern auch für anderes Licht, wie beispielsweise Infrarotlicht, angewendet werden. In diesen Fällen werden die einzelnen Elemente der Vorrichtung, insbesondere der Schaltung gemäß F i g. 4, der Größe der von den Fotozellen erzeugten Signale entsprechend gewählt. Wenn in der obigen Beschreibung von Fotozellen die Rede ist, so ist dies nur beispielshaft gemeint. Selbstverständlich können anstelle von Fotozellen auch andere, auf Lichteinfall ansprechende Elemente verwendet werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Schwebefeststoffkonzentration in einer Flüssigkeit mit einer ein Lichtbündel in die Flüssigkeit einstrahlenden Lichtquelle und wenigstens zwei in unterschiedlichem Abstand von der Lichtquelle außerhalb des Lichtbündels angeordneten fotoelektrischen Wandlern, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der fotodektrischen Wandler (22, 24) an eine Einrichtung (30) zur Bildung des logarithmischen Verhältnisses der Ausgangssignale der Wandler (22, 24) angeschlossen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (20) und die fotoelektrischen Wandier (22, 24) in einer Ebene angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einrichtung: (50) zur Bildung des logarithmischen Verhältnisses ein Verstärker (52) mit einstellbarer Verstärkung nachgeschaltet ist