DE3038107C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur berührungsfreien Ermittlung von Öl auf der Oberfläche von Wasser gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bezeichneten Art. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die berührungsfreie Ermittlung von Öl auf Wasser ist von R. A. O′Neil, A.R. Davis, H.G. Gross und J. Kruus: A Remote Sensing Laser Fluorometer, in "Laser and Unconventional Optics Journal", Bd. 52, 1974, Seiten 3 bis 44 beschrieben. Dabei wird die Überwachung vor allem durch ein Flugzeug ausgeführt, in dem als Licht­ quelle ein Laser Verwendung findet, der auch im ultravioletten Wellenlän­ genbereich von 325 nm strahlt. Der Empfänger ist dabei auf die durch den Laser angestrahlte Stelle der Wasseroberfläche fokussiert. Das Licht wird durch eine Serie von Filtern auf den Empfänger geführt, von denen ein erstes Filter dazu dient, reflektiertes Licht daran zu hindern, den Empfänger zu erreichen. Durch wahlweisen Einsatz der weiteren Filter läßt sich eine spektrale Fluoreszenzstrahlung erfassen, die Auskunft über die Art des die Wasseroberfläche verunreinigenden Öls gibt. Für den Flugbereich findet gleichfalls lediglich ein Filter Anwendung, welches von der Zielfläche ausge­ hendes Fluoreszenzlicht durchläßt, dessen Gesamtintensität erfaßt und aus­ gewertet wird.

Mit der meßtechnischen Erfassung von Verunreinigungen strömender wäßriger Flüssigkeiten durch Öl befaßt sich gleichfalls die DE 26 57 851 A1. Hierbei findet ebenfalls ultraviolettes Licht für die Anregung der Fluoreszenzstrah­ lung der zu untersuchenden Öle Anwendung. Es kann nicht ausbleiben, daß hierbei von der zu untersuchenden Oberfläche ein Teil des Einstrahlungslichtes unmittelbar reflektiert wird. Da dessen Auswirkung als störend angesehen wird, findet ein Detektor mit ausgesprochen selek­ tiver Empfindlichkeit für Licht außerhalb des ultravioletten Bereiches Anwendung, so daß die direkte Reflexion für die Messung nicht erfaßt wird, obwohl der Detektor geometrisch in einer Reflexionsstellung ausgerichtet sein kann.

Für die Gestaltung der Meßsignale und deren Weiterverarbeitung sieht die an erster Stelle benannte Druckschrift zunächst eine mechanische Modula­ tion des für die Untersuchung vorgesehenen Lichtstrahls vor, nämlich mit­ tels einer Stimmgabel. Der Lichtstrahl unterliegt weiterhin einer Filte­ rung durch das bereits erwähnte, für UV-Strahlen im wesentlichen undurch­ lässige Filter. Danach beaufschlagt der Lichtstrahl einen Detektor, näm­ lich einen Fotoelektronenvervielfacher, im Anschluß an welchen das Signal in einer Verriegelungsschaltung weiterhin behandelt wird, indem der mit der Modulation phasengleiche Signalanteil vom Hintergrundsignal als Maß der erfaßten Fluoreszenzstrahlung dargestellt wird. An die Stelle der me­ chanischen Zerhackung zur Unterbrechung der Primärstrahlung und der von dieser Zerhackerfrequenz gesteuerten Auswerteschaltung durch eine Impuls­ anregung der Lichtquellen kann auch eine Impulsanregung der Lichtquelle und der von dieser Impulsanregung gesteuerten Auswerteschaltung treten. Eine derartige Schaltung ergibt sich aus Howard A.Strobel: Chemical Instru­ mentation, 2. Auflage, Addison-Wesley Publishing Company, Reading, Massa­ chusetts, 1973, Seiten 197 bis 201. Auch dabei wird also der Detektor auf Phasengleichheit mit dem demodulierten Primärsignal eingestellt, wobei eine entsprechende Verriegelungsschaltung Verwendung findet.

Vom einleitend genannten Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei auf Wasser schwimmendem Öl nicht nur eine quali­ tative Aussage zu erzielen, sondern zusätzlich eine wenigstens angenähert quantitative Aussage über die Dicke der betreffenden Ölschicht zu erlangen. Die Messung soll in Schächten, Bojen, Kanälen und zahlreichen weiteren, der Beobachtung sonst nur schwer zugänglichen Stellen möglich sein, so daß die Meßwerte im Rahmen eines Warnsystems Verwendung finden können.

Die Erfindung löst diese Aufgabe bei dem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die in seinem kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale sowie durch die Vorrichtung nach den Patentan­ sprüchen 4 bis 5.

Somit wird meßtechnisch Gebrauch gemacht sowohl von der gerichteten Strah­ lung, die als die reflektierte Strahlung zu verstehen ist, als auch von der ungerichteten Strahlung, bei der es sich um die fluoreszierende Strah­ lung handelt. Die Einbeziehung der gerichteten Strahlung in die laufende Überwachung wird, abweichend von den bekannten Verfahren und Vorrich­ tungen, bewußt vorgenommen. Sie läßt sich deshalb leicht von der Messung der ungerichteten Strahlung differenzieren, weil die Strahlungintensität der gerichteten Strahlung durch Spitzenwerte gekennzeichnet ist, wohingegen die ungerichtete Strahlung zur Erfassung eines Grundwertes führt, dessen Niveau signifikant unter demjenigen der Spitzenwerte liegt. Die Meßwerte stehen also in zwei verschiedenen Höhenlagen zur Verfügung, auf welche sich die Signalverarbeitung bezieht. Die Oberfläche der zu überwachenden Gewässer unterliegt stets einer gewissen Bewegung, so daß längere Zeiten der Reflexionsstrahlung bzw. der ungerichteten Strahlung nicht auftreten können. Mit besonderem Vorteil wird die Untersuchung bei welliger Oberfläche durchgeführt.

Da die Intensität der Reflexionsstrahlung um Größenordnungen höher als diejenigen der Fluoreszenzstrahlung ist, wird die Reflexionsstrahlung im ultravioletten Wellenlängenbereich nach Durchgang durch ein das reflektier­ te UV-Licht der Lichtquelle bis auf einen geringen Rest sperrendes Filter nicht derartig geschwächt, daß die Auswertung in der erfindungsgemäßen Weise durch Schwächung der Reflexionsstrahlung eingeschränkt wäre. Praktisch verwertbare, marktgängige UV-Filter haben nur eine Sperrwirkung von 90 bis 95%, womit sie die Intensität der Reflexionsstrahlung lediglich um zwei Größenordnungen herabzusetzen vermögen, ohne daß dabei das Niveau der ungerichteten Fluoreszenzstrahlung erreicht wird.

Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung sieht die Messung der spek­ tralen Intensitätsverteilung in einem schmalen Wellenlängenbereich von 385 bis 395 nm vor. Dieser Bereich läßt eine ausreichende Differenzierung von einzelnen Ölgruppen zu, wohingegen andererseits die Störstrahlung von Auf­ hellern gerade in diesem Bereich besonders gering ist.

Die zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht vor allem die weitreichende Ausschaltung von Störein­ flüssen. So sieht der Patentanspruch 4 neben der Anordnung der optoelektronischen Einrichtungen die Verwendung einer Lochscheibe vor, welche es gestattet, die einfallende UV-Strahlung zu modu­ lieren, indem die Lochscheibe mit einer bestimmten Drehzahl ange­ trieben wird. Die Lochzahl erlaubt dann die Bestrahlung mit einer Frequenz von z. B. 590 Hz, welche von anderen, eventuell störenden Frequenzen, wie der Netzfrequenz mit 50 Hz, einen erheblichen Abstand hat. Somit läßt sich der von anderen Lichtquellen aus­ gehende Einfluß praktisch ausschalten.

Nach dem Vorschlag des Anspruchs 5 kann an die Stelle der mechanisch wirkenden Lochscheibe eine elektronische Anordnung treten, indem ein Pulsgenerator den Betrieb der UV- Leuchtstofflampe über einen Leistungs­ verstärker steuert.

In beiden Fällen wird die Strahlung mittels einer Resonanzfilter­ schaltung und einem Demodulator empfangen, so daß bezüglich Fre­ quenz und Phase eine Übereinstimmung zwischen der Strahlung aus der Oberfläche und dem Ansprechen des Empfängers besteht. Eine Fremd­ strahlung von abweichender Frequenz und Phase kann das Ergebnis nicht verfälschen.

Um eine gleichmäßige Betriebsweise der Meßanordnung sicherzustellen, wird im Gehäuse des Fotoelektronen-Vervielfachers nach einem weiteren Merkmal der Erfindung eine Leuchtdiode eingebaut, die mit pulsieren­ dem Gleichstrom von gegenüber der UV-Bestrahlung unterschiedlicher Frequenz gespeist ist. Somit kann der Fotoelektronen-Vervielfacher getrennt vom Meßsignal für das Öl das Signal der Leuchtdiode als Kalibriersignal empfangen. Alterungserscheinungen und Temperatureinflüsse werden bei der Leuchtdiode dadurch ausgeglichen, daß ihr Speisestrom so geregelt wird, daß sie immer mit gleicher mittlerer Helligkeit strahlt.

Für die Beleuchtung mittels einer UV-Leuchtstofflampe wird zweckmäßig ein bis 360 nm durchlässiges Filter verwendet, während dem Fotoelektronenver­ vielfacher ein ab 408 nm durchlässiges Filter vorgeschaltet ist. Auf die­ se Weise bleiben nicht nur mit Sicherheit die Meßwerte der Fluoreszenzstrah­ lung durch direkt reflektiertes sowie mit einer Restintensität durchgelassene UV-Strahlung unbeeinflußt, sondern es wird gleichfalls ein Einfluß ande­ rer Verunreinigungen im Wasser, wie vor allem der Einfluß von Blancophoren, verringert.

Zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung wird auf die sich auf Ausfüh­ rungsbeispiele beziehenden Zeichnungen Bezug genommen. Darin zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung, während

Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungsform darstellt.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform unterliegt das von der UV-Leuchtstofflampe 5 ausgehende Licht der Modulation durch eine Lochschei­ be 8, deren Antriebsdrehzahl und Lochzahl so abgestimmt sind, daß die Modu­ lationsfrequenz 590 Hz beträgt. Die auf die Oberfläche 4 des ölverunreinig­ ten Wassers einfallende UV-Strahlung bewirkt die Anregung zur Fluoreszenz und erfährt auch eine Reflexion. Mittels des Objektivs 13 läßt sich die von der somit geschaffenen sekundären Lichtquelle ausgehende Strahlung auf den Fotoelektronen-Vervielfacher 1 fokussieren, nachdem das Filter 12 zunächst die Intensität der Strahlung im von der UV-Leuchtstofflampe emitier­ ten Wellenlängenbereich vermindert hat, so daß im für die Überwachung er­ forderlichen Ausmaß ein gerichtetes Licht zur Auswertung gelangt. Die Resonanzfilterschaltung 2 und der Demodulator 3 stimmen den Empfänger auf die Frequenz und Phase des eingestrahlten UV-Lichtes ab, so daß dem vom Schreiber 14 angezeigten Meßwert stets ein Meßsignal zugrunde liegt, welches der tatsächlich bestehenden Einstrahlung entspricht.

Gemäß Fig. 2 steuert der Pulsgenerator 7 über den Leistungsverstärker den Betrieb der UV-Leuchtstofflampe 5. Außerdem steuert Pulsgenerator 7 die frequenz- und phasenabhängige Filterschaltung 9, auf die der Fotoelektro­ nen-Vervielfacher 1 geschaltet ist. Nach der Demodulation und Verstärkung im Bauteil 10 wird das Signal auf den Schreiber 14 übertragen. Das Filter 11 schaltet längerwelliges Licht als 360 nm der UV-Leuchtstofflampe 5 aus, so daß die von der Oberfläche 4 ausgehende und im Objektiv 13 fokussier­ te Strahlung entsprechend reduziert von der direkten Reflexion der UV-Leucht­ stofflampe 5 beaufschlagt ist. Das ab 408 nm durchlässige optische Filter 12 zwischen Objektiv 13 und dem Fotoelektronen-Vervielfacher 1 reduziert nicht nur die verbleibende Reflexionsstrahlung der UV-Leuchtstofflampe 5, sondern zusätzlich noch den Einfluß von im Wasser enthaltenen Blanco­ phoren.

Claims (7)

1. Verfahren zur berührungsfreien Ermittlung von Öl auf der Ober­ fläche von Wasser, wobei die Oberfläche an der Meßstelle mit einer die Fluoreszenz der möglichen Ölgruppe anregenden, UV-Licht emittierenden Lichtquelle bestrahlt und das von dem Öl erzeugte, ausgestrahlte Fluoreszenzlicht nach Durchgang durch ein das reflektierte UV-Licht der Lichtquelle bis auf einen ge­ ringen Rest sperrendes Filter von einem fotoelektrischen Detek­ tor empfangen wird, und die Gesamtintensität des Fluoreszenz­ lichtes erfaßt und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß als UV-Licht emittierende Lichtquelle eine UV-Leuchtstofflampe verwendet wird, und daß zur Bestim­ mung der Art des Öls und seiner angenäherten Schicht­ dicke der geringe Restanteil des auf den fotoelek­ trischen Detektor gelangenden, reflektierten UV-Lichtes zusätzlich ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Untersuchung bei welliger Wasseroberfläche durchgeführt wird, wobei die Spitzenwerte in Beziehung zu den Grundwerten für die Gesamt-Intensitätsmessung ge­ setzt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die spektrale Intensitätsmessung im Wellenlängenbereich von 385 bis 395 nm erfolgt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die von der UV-Leuchtstofflampe (5) ausgehende Strahlung eine Lochscheibe (8) zur Modulation und als fotoelektrischer Detektor ein Fotoelektronen-Vervielfacher (1) vorgesehen sind, an den sich eine Resonanzfilterschaltung (2) und ein Demodulator (3) anschließen.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Betrieb der UV-Leuchtstofflampe (5) ein über einen Leistungsverstärker gesteuerter Pulsgenerator (7) vorgesehen ist, und der Pulsgenerator (7) eine sich an den als Fotoelektronen-Vervielfacher (1) ausgebildeten fotoelektrischen Detektor anschließende, frequenz- und phasenabhängige Filterschaltung (9) steuert, der ein Demodulator und ein Verstärker nachgeschaltet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Fotoelektronen-Vervielfacher (1) der Einstrahlung einer in einem Gehäuse eingesetzten Leuchtdiode zur Empfindlichkeitsregelung ausgesetzt ist, die mit pulsierendem Gleichstrom von gegenüber der UV-Bestrahlung unterschiedlicher Frequenz gespeist ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der UV-Leuchtstofflampe (5) ein bis 360 nm durchlässiges Filter (11) nachgeschaltet ist, während das dem Fotoelektronen-Vervielfacher (1) vorgeschaltete Filter (12) ab 408 nm durchlässig ist.