DE3706458C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Unter­ suchung von Fluiden auf Schwebeteilchen, z. B. von Gewässern, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Zur Untersuchung von Fluiden auf Schwebeteilchen, so z. B. zur Feststellung der Verschmutzung von Wasser durch organische und anorganische Fremdkörper, wird unter anderem das Transmissionsverhalten von Licht unterschiedlicher Wellenlänge genutzt. wird. Zur Untersuchung von pflanzlichen und organischen Bestandteilen sowie kleinsten Spuren fluoreszierender Substanzen, z. B. Kohlenwasserstoffe wie Öl etc., wird das zu untersuchende Fluid, z. B. Wasser, mit Licht kurzer Wellenlänge im Bereich um 500 Nanometer bestrahlt und über Detektoren die Fluoreszenz gemessen.

Aus der DE-OS 31 49 728 ist eine Vorrichtung der in Rede stehenden Art angegeben, mit der unter Verwendung eines gesteuerten Tauchfahrzeuges in Wasser die Gegenwart von Kohlenwasserstoffen oder anderen Substanzen, die fluores­ zieren oder Licht absorbieren, festgestellt werden kann. Das Tauchfahrzeug wird an oder in der Nähe des Gewässer­ grundes geführt. Mit einer lichtemittierenden Einrichtung, z. B. einem Laser, wird der Gewässerboden abgetastet. Der Laser, im speziellen Falle ein Argon-Laser, strahlt auf mehreren Frequenzen. Die entweder mit der Wellenlänge der Ölfluoreszenz in Wasser zurückemittierte oder mit der Frequenz der Lichtquelle zurückgestreute Lichtenergie wird sowohl für den Gewässergrund als auch für einen Bereich im Wasser, der sich in einem vorgegebenen Abstand oberhalb des Gewässergrundes befindet, erfaßt und verar­ beitet.

Als Empfänger werden bei dieser bekannten Vorrichtung Photomultiplier vorgesehen, die nur für eine bestimmte Wellenlänge oder einen schmalen Wellenlängenbereich empfind­ lich sind. Die einzelnen von der lichtemittierenden Ein­ richtung abgegebenen Wellenlängen werden mit Hilfe von speziellen Filtern erzeugt. Werden Messungen in unter­ schiedlichen Wellenlängenbereichen vorgenommen, sind dementsprechend eine Vielzahl von Photomultiplier-Empfängern notwendig, um die Meßergebnisse zur Verfügung zu stellen.

Der Aufbau der bekannten Vorrichtung ist kompliziert und im wesentlichen auf den speziellen Anwendungsfall der Ölfluoreszenz abgestellt. Mit dem Verfahren sollen insbesondere Öllecks am Meeresboden aufgespürt werden. Auch bei der Verwendung von gepulsten Lasern kann bei der Fluoreszenzanalyse nur schwer zwischen Meßergebnissen unterschieden werden, die auf biologischen Sustanzen, Schwebestoffen, Gaseinschlüssen oder anderen zur Fluores­ zenz angeregten Substanzen beruhen. Die Meßergebnisse werden zudem durch die Rückstreuung beeinträchtigt. Bei der Spektralfotometermessung sind zudem alle Effekte wie Dämpfung, Absorption, Fluoreszenz oder Rückstreuung in der gesamten Meßgröße subsummiert und damit im einzelnen sehr schwierig und oft überhaupt nicht zu trennen und auszuwerten.

Es wäre wünschenswert, eine einfache Einrichtung zur Verfügung zu haben, mit der z. B. Wasserverschmutzungen und biologische Veränderungen im Gewässer automatisch und schnell analysiert werden können, um rasch einen Überblick über die Verschmutzung zu erhalten.

Die Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der in Rede stehenden Art anzugeben, die bei ein­ fachem Aufbau genauere, für einen Überblick ausreichende Meßdaten hinsichtlich der zu untersuchenden Schwebestoffe und der Trübung liefert, wobei diese Meßdaten selektiert und zur Auswertung einfach getrennt werden können.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Demgemäß werden mit der lichtemittierenden Einrichtung, vorzugsweise gepulsten Lasern, kurzzeitig Lichtimpulse im Nanosekundenbereich mit bekannter Energie nacheinander ausgesendet, wobei zumindest eine der verwendeten Wellen­ längen nicht in einem Bereich liegt, bei der Fluoreszenz durch Anregung der Schwebeteilchen zu erwarten ist. Das Licht dieses Lasers wird bevorzugt für die Messung der Absorption, das Licht des zweiten Lasers zur Bestimmung der Fluoreszenz verwendet. Beide Empfangssignale, d. h. Rückstreusignale oder emittierte Fluoreszenzstrahlung, werden mit einem gemeinsamen breitbandigen Empfänger aufgenommen, wobei die empfangene Signalform in einer dem breitbandigen Empfänger nachgeschalteten Auswerte­ schaltung eindeutig dahingehend analysiert werden kann, ob die Meßsignale von der originären Strahlung oder einer Fluoreszenzstrahlung stammen. So ist z. B. eine Trübung des Wassers durch Fremdkörper, d. h. durch Streuung und/oder Absorption der Strahlung eindeutig, von einer angeregten Fluoreszenzstrahlung zu unterscheiden.

Das abgestrahlte Licht wird bevorzugt auf eine in ihren Rückstrahleigenschaften bekannte Rückstreufläche, eine sogenannte Standard-Streufläche gerichtet. Entsprechend der Entfernung zwischen der lichtemittierenden Einrichtung, z. B. zwei gepulsten Lasern, und Rückstreufläche werden sehr kurze Lichtimpulse verwendet, die bei einem Abstand von zwei bis drei Metern zwischen Lasern und Rückstreu­ fläche eine Halbwertsbreite von etwa 10 Nanosekunden aufweisen. Hierduch können folgende Effekte zeitlich separiert werden:
Dämpfung des Lichtes innerhalb der zu untersuchenden Fluids, z. B. Wasser, durch Messen der rückgestreuten Lichtenergie;
Rückstreuung aus dem beleuchteten Fluidvolumen;
Fluoreszenz aus dem beleuchteten Fluidvolumen und
die Dichteverteilung der obigen Effekte in dem beleuchteten Fluidvolumen.

Die Wellenlängen der gepulsten Lichtquellen werden über einen weiten Bereich gewählt, z. B. zwischen 480 und über 900 Nanometer. Im Bereich von 500 Nanometer treten die meisten Fluoreszenzeffekte auf, wohingegen bei langen Wellenlängen, etwa bei 900 Nanometer keine Anregung z. B. biologischer Substanzen erfolgt. Durch geeignete Wahl der Wellenlängen der verwendeten Impulslichtquellen und des darauf angepaßten Empfängers kann auch die Schwebstoffverteilung etwa in Wasser nach dämpfenden, rückstreuenden, fluoreszierenden Substanzen und deren Verteilung erfaßt werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteran­ sprüchen hervor.

Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser stellen dar:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Untersuchung von Wasser mit Hilfe von gepulsten Lichtquellen;

Fig. 2 und 3 mit Hilfe der Vorrichtung empfangene und ausge­ wertete Impulsantworten.

In Fig. 1 ist eine Gesamtvorrichtung 1 zur Untersuchung der Wasserqualität dargestellt. Die Vorrichtung weist einen Behälter 2 auf, der in das Wasser abgelassen und z. B. von einem Kran gehalten wird. Für die Aufhängung ist ein entsprechendes Geschirr 3 vorgesehen. Selbstverständlich kann der Behälter auch abgestellt oder geschleppt werden. In dem Behälter 2 ist ein Impulsreflektometer 4 angeordnet, das in diesem Falle zwei gepulste Laser 5 und 6 sowie einen breitbandigen Empfänger 7 enthält. Für jeden Laser und den Empfänger ist eine entspre­ chende Optik 8, 9 bzw. 10 vorgesehen. Für den Empfänger 7 ist vor der Optik noch eine elektromagnetische Blende 11 vorgesehen.

An der Frontseite des Behälters 2 ist ein Fenster 12 angeordnet. Durch dieses Fenster strahlen die gepulsten Laser 5 und 6 Licht in Richtung auf eine Standard-Rückstreufläche 13, die in einem bestimmten Abstand d von dem Behälter im Wasser angeordnet ist. Die Rückstreueigenschaften dieser Standard-Rückstreufläche 13 sind bekannt; das von dieser Rückstreufläche 13 zurückgestreute Licht trifft durch das Fenster 12 auf den Empfänger 7, wobei der Empfangsbereich durch die elektromagnetische Blende 11 einge­ stellt wird.

In dem Behälter kann noch ein Wassersensor 14 vorgesehen sein, der ein elektrisches Signal abgibt.

Sämtliche elektrischen Ausgangssignale der beschriebenen Teile des Impulsreflektometers werden auf einen Datenbus 15 geleitet, der als Leitung zu einem entfernten Labor 16 z. B. an der Wasser­ oberfläche oder an Land geführt wird.

Der Datenbus ist eine bidirektionale Datenleitung, so daß die Funktion des Impulsreflektometers von seiten des Labors gesteuert werden kann.

In dem Labor 16 sind Kontrollgeräte 17 zur Funktionsüberwachung des Impulsreflektometers und ein zweikanaliger Analog-/Digital­ wandler 18 vorgesehen, die beide mit dem Datenbus 15 verbunden sind. Der A/D-Wandler 18 ist mit einem Rechner 19 verbunden, dieser mit einem Drucker 20 oder einer anderen Aufzeichnungs­ einheit sowie mit einem Speicher 21 verbunden.

Zur Durchführung einer Messung wird von seiten des Labors über den Datenbus 15 zunächst der gepulste Laser 5 getriggert. Dieser sendet einen kurzen Lichtimpuls bekannter Energie mit etwa 10 Nanosekunden Halb­ wertsbreite und einer Wellenlänge um 900 Nanometer durch das Fenster in Richtung auf die Rückstreufläche 13. Bei diesen langen Wellenlängen sind keine Anregungen von biologischen Substanzen zu erwarten. Das von der Rückstreufläche 13 rückge­ streute Licht sowie das innerhalb des Lichtweges durch Reflexion und Rückstreuung im Wasser rückgestreute Licht wird durch den breitbandigen Empfänger 7 empfangen und als elektrisches Signal an das Labor 16 geleitet. Dort wird die Impulsantwort zeitabhängig ausgewertet; ein Beispiel für eine Impulsantwort auf einen Laserimpuls mit 10 Nanosekunden Halbwertsbreite und einer Wellenlänge von 905 Nanometern ist in Fig. 2 gezeigt.

Anschließend wird durch ein zweites Triggersignal der zweite gepulste Laser 6 getriggert, der einen Lichtimpuls bekannter Energie, in diesem Falle ebenfalls mit 10 Nanosekunden Halbwertsbreite und einer Wellenlänge von 500 Nanometern in Richtung auf die Rückstreufläche 13 abstrahlt. Für die Laufzeitmessung wird ebenso wie vorhin ein Referenzsignal mit dem Abstrahlen des Impulses auf den Datenbus 15 gegeben. Bei der Wellenlänge von 500 Nanometern treten verstärkt in biologischen Substanzen Fluoreszenzanregungen auf. Dementsprechend wird vom breitbandigen Empfänger 7 nicht nur das an der Rückstreufläche und im Wasser rückgestreute Licht, sondern auch Fluoreszenzlicht empfangen, das von organischen Substanzen ausgeht, die durch den Laserimpuls angeregt worden sind. Die Empfangssignale werden über den Datenbus 15 an das Labor 16 geliefert und dann ausge­ wertet; ein Beispiel einer Impulsantwort auf einen Lichtimpuls von 10 Nanosekunden Halbwertsbreite und 500 Nanometer Wellenlänge ist in Fig. 3 dargestellt.

Bei einem Vergleich der Fig. 2 und 3, bei der die ausge­ wertete Signalspannung jeweils über der Zeit aufgetragen sind, wird deutlich, daß einmal aus dem Wert der Spannungsamplitude auf die Trübung des Wassers, d. h. unmittelbar auf die Wasserqualität geschlossen werden kann (Fig. 2). Fluoreszenzanregungen traten nicht auf. In Fig. 3 zeigt die Impulsantwort eine deutliche zeitliche Verlängerung, die durch eine Fluoreszenzanregung von biologischen Substanzen hervorgerufen ist. Durch Anpassung der Impulsbreite an die Meßstrecke kann das Verfahren zur Messung von Substanzen sowohl in Gewässern, als auch in Leitungssyste­ men zur Bestimmung wichtiger Kenngrößen wie Schwebestoffe, Algen, Verschmutzung durch feste und flüssige Medien angewandt werden.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Untersuchung von Fluiden auf Schwebe­ teilchen, z. B. von Gewässern,

• - mit einer Einrichtung zum Einstrahlen von Licht von wenigstens zwei verschiedenen Wellenlängen in das Fluid;
• - mit einem Empfänger für das vom Fluid ausgehende Licht; und
• - mit einer dem Empfänger nachgeschalteten Auswerte­ schaltung,
  dadurch gekennzeichnet,
• - daß die lichtemittierende Einrichtung (5, 6) kurzzeitig Lichtimpulse im Nanosekundenbereich mit bekannter Energie aussendet;
• - daß die Impulse mit den verschiedenen Wellenlängen nacheinander ausgesendet werden;
• - daß die Wellenlängen so gewählt sind, daß zumindest eine nicht in einem Bereich liegt, bei der Fluoreszenz durch Anregung der Schwebeteilchen zu erwarten ist;
• - daß der Empfänger (7) breitbandig und für alle verwen­ deten Wellenlängen empfindlich ist; und
• - daß die Auswerteschaltung (16) bei den empfangenen Signalen hinsichtlich originärer (gesteuerter und/oder absorbierter) Strahlung und Fluoreszenzbildung diskriminiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Vorrichtung (1) eine in ihren Rückststrahl­ eigenschaften bekannte Rückstreufläche (13) vorgesehen ist, auf die die Lichtimpulse gerichtet werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die lichtemittierende Einrichtung (5, 6) eine erste gepulste Lichtquelle (5), die Licht mit Wellenlängen um 900 Nanometer abstrahlt, und eine zweite gepulste Lichtquelle (6) aufweist, die Licht mit einer Wellenlänge von 500 Nanometer abstrahlt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für den Empfänger (7) eine Blende (11) vorgesehen ist.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtemittierende Einrichtung (5, 6) sowie der Empfänger (7) in einem, in dem zu untersuchenden Fluid befindlichen abge­ schlossenen Behälter (2) angeordnet sind, und daß ein Daten­ bus (15) zu einem entfernt aufgestellten, die Auswerte­ schaltung enthaltenden Labor (16) vorgesehen ist.