DE3839561C2 - Vorrichtung zum Bestimmen der Komponenten in flüssigen Medien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Komponenten in flüssigen Medien wie wäßrigen Lösungen, mit einer flüssigkeitsdicht gekap­ selten Tauchsonde, in der eine Lichtquelle und ein Linsensystem für von der Lichtquelle emittiertes Licht untergebracht sind, und mit einer Auswerte- und Anzeigeeinheit, wobei Tauchsonde und Anzeigeeinheit mittels eines elektrische Signale übertragenden Kabels miteinander verbunden sind, und daß das Linsensystem der Tauchsonde eine Meßstrecke mit zwei in dem Ge­ häuse der Tauchsonde einander gegenüberliegend angeordneten Fenstern enthält.

Im Stand der Technik sind unterschiedliche Vorrichtungen bzw. Verfahren zum Bestimmen von Komponenten, Stoffkonzentrationen oder zur Bestim­ mung von Sichttiefen in flüssigen Medien bekannt.

Es ist eine Vorrichtung bekannt (DE 35 07 147 A1), die zum Messen der Sichttiefe wässeriger Lösungen bestimmt ist und die Sichttiefe aufgrund des von in der Lösung befindlichen Trübungsteilchen reflektierten IR-Lichtes er­ mittelt. Hierzu weist diese Vorrichtung eine Tauchsonde auf. Die Tauchsonde dieser Vorrichtung kann aber nicht eine unzulässig hohe Konzentration einer bestimmten Komponente in einer wässerigen Lösung feststellen, die auf eine unzulässig hohe Verschmutzung durch gelöste Bestandteile zurückzuführen ist.

Weiter ist eine Vorrichtung bekannt (DD 2 58 471 A1), die als Sensorkopf ausgeführt ist und zur Messung von Stoffkonzentrationskomponenten in gas­ förmigen oder flüssigen Medien dient. Der Sensorkopf weist einen als Meß­ strecke dienenden Absorptionsspalt sowie die offenen Enden eines Geber- Lichtwellenleiters und eines Signal-Lichtwellenleiters auf. Als Lichtquelle dienen zwei Lichtemitter-Dioden, die außerhalb des Sensorkopfes angebracht sind.

Ferner ist eine Vorrichtung zur automatischen kolorimetrischen Flüssigkeits­ titration bekannt (DE 27 28 951 C2), die eine Tauchsonde aufweist. Die Tauchsonde ist mit Lichtquellen, nämlich mit emittierenden Luminiszens­ dioden oder Laserdioden bestückt, die bei Wellenlängen von 500 bis 1500 nm impulsartig in einem Frequenzbereich von 0,1 Hz bis 100 kHz alternierend zur Durchstrahlung der zu titrierenden Flüssigkeit Lichtimpulse aussen­ den. Ein genauer Aufbau dieser Tauchsonde wird nicht beschrieben.

Schließlich ist ein Verfahren zum Korrigieren einer Mehrzahl von Meßergeb­ nissen einer Probe bei einer kolorimetrischen Messung bekannt (DE 34 44 768 A1). Um entsprechende Korrekturwerte zu erhalten, wird ein Beugungs­ gitter in den Strahlengang gestellt, um den durch die Probenlösung gestrahl­ ten Lichtstrom auf verschiedene Meßwertaufnehmer zu lenken. Von einer ge­ kapselten Vorrichtung oder dem genauen Aufbau einer solchen Vorrichtung, in die dieses Beugungsgitter integriert ist, wie dies beispielsweise bei einer Tauchsonde der Fall sein könnte, ist hier nicht die Rede.

Die bekannten Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung von Kompo­ nenten, Stoffkonzentrationen oder dgl. sind nicht optimal ausgebildet, um mit Hilfe einer flüssigkeitsdicht gekapselten Tauchsonde Komponenten in flüssigen Medien zu bestimmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der die Bestimmung der Komponenten, insbesonders hoher Konzentrationen der Komponenten, in flüssigen Medien oder wässerigen Lösungen zuverlässig und schnell festgestellt und aufgezeigt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung der eingangs ge­ nannten Art gelöst, die die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des An­ spruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegen­ stand der Unteransprüche.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und insbesondere der Tauchsonde derselben können alle in flüssigen Medien gelösten,
Licht absorbierenden Stoffe direkt und ohne Probennahme und Probenvorbereitung kontinuierlich überprüft und gemessen werden. Vorzugsweise werden solche Stoffe überwacht und gemessen, die im UV-Bereich absorbieren. Da die Tauchsonde zudem selbstreinigend ausgebildet ist, nämlich mittels einer Art Scheibenwischer, kann die erfindungsgemäße Tauchsonde auch Längere Zeit in einem fließenden Medium untergetaucht verbleiben. Es können orientierende Messungen der im flüssigen Medium gelösten organischen Stoffe als Summenparameter erfaßt werden, wie dies beispielsweise in DIN 38 404 Teil 3 und in den Deutschen Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- und Schlammuntersuchung gefordert ist.

Die Messungen können im Trinkwasser, im Kläranlagenbereich und überhaupt im gesamten Gewässerbereich direkt und ohne besondere Laboreinrichtungen mit Probennahme usw. durchgeführt werden. Andererseits lassen sich aber auch stoffspezifische UV-absorbierende gelöste Inhaltsstoffe erfassen und messen, was durch wechselnde Spektralbereiche und durch Ändern der Absorptionsstrecke geschieht. Beispiele für derartige Inhaltsstoffe sind Toluol, Isophoron, Methanol, Dichlormethan, Benzol, Dimethylformamid, Nitrat usw.

Beim Auftauchen derartiger Verunreinigungen in einem Abwasserstrom in unzulässig hoher Konzentration erfolgt mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Störmeldung, die es ermöglicht, Sicherheitsmaßnahmen zu ergreifen, bevor diese Verunreinigungen beispielsweise in die letzte Stufe eines Klärwerkes gelangen.

Die Tauchsonde der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Gerät zum kontinuierlichen Messen direkt in strömenden oder auch stehenden wässerigen Lösungen. Da sie eine mechanische Selbstreinigung aufweist, ist auch über mehrere Monate Lang ein wartungsfreier Betrieb sogar im Zulauf zu einer Kläranlage möglich und gewährleistet.

Das von der in der Tauchsonde angeordneten UV-Blitzlampe abgegebene Licht wird mittels eines Gitters in sein Spektrum zerlegt, welches auf ein Meßelement und ein Referenzelement gestrahlt wird. Die so ermittelten Meßdaten werden über ein elektrisches Kabel, das bis zu 50 m lang sein kann, zu der Auswerte- und Anzeigeeinheit geleitet und dort ausgewertet.

Bei der erfindungsgemäßen Tauchsonde ist vorzugsweise die Schichtdicke bzw. Dicke der Meßstrecke variabel einstellbar, ebenso wie die Meß- und Referenzelemente auf ein variables Spektrum eingestellt werden können. Somit ist es möglich, die Tauchsonde auf alle im UV-Bereich absorbierenden zu messenden Stoffe einzustellen.

Bisher hat man derartige Messungen nur labormäßig durchführen können. Dabei war es nur möglich, einzelne Proben diskontinuierlich zu untersuchen und an denselben Messungen vorzunehmen. Andererseits sind aber auch kontinuierlich arbeitende UV-Photometer bekannt, jedoch ist deren apparativer Aufwand sehr groß, und sie sind zudem sehr störanfällig. Die mit derartigen Photometern erzielbaren Meßergebnisse sind unzuverlässig. Ein wesentlicher Nachteil aller bisher bekannten kontinuierlich arbeitenden UV-Photometer ist, daß man Proben der zu untersuchenden Flüssigkeiten nehmen und diese Proben für die Messung vorbereiten muß, d. h. aus den zu untersuchenden Flüssigkeiten müssen Proben abgezweigt werden. Die hierfür erforderlichen Pumpen und Leitungen setzen sich wegen der in der Flüssigkeit enthaltenden Schmutzstoffe sehr schnell zu, so daß zum Reinigen, Warten und Betreuen ein hoher Aufwand notwendig ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das gesamte Spektralphotometer einschließlich Blitzlicht Lampe und Empfänger kompakt in einer Tauchsonde integriert, die in das zu überwachende Medium zum direkten Messen getaucht wird, so daß für die Messungen keine Probennahme und keine Probenvorbereitung erforderlich ist.

Die an der Tauchsonde vorzugsweise vorgesehenen Scheibenwischer lassen sich in variabel einstellbaren Intervallen automatisch betätigen und gewährleisten somit einen problemlosen einwandfreien Meßbetrieb.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Tauchsonde der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt. Die zu der Vorrichtung gehörende Anzeigeeinheit ist nicht gezeigt, weil diese üblicher Ausführung sein kann.

Die Tauchsonde (1) hat ein wasserdicht gekapseltes zylindrisches Gehäuse (2) mit sich konisch verjüngendem Hals (3), an den ein abgewinkeltes Rohr (4) angeschlossen ist, welches eine Verbindung zu dem nicht dargestellten Anzeigegerät bildet und wegen seiner abgewinkelten Form eine strömungsgünstige Montage der Tauchsonde (1) ermöglicht.

Im Gehäuse (2) ist eine Blitzlichtlampe (5) angeordnet, die UV-Licht abgibt, das durch einen insgesamt vier Blenden (6) mit zwei jeweils zwischen zwei Blenden angeordneten Quarzlinsen (7) enthaltenden Strahlengang (8) auf ein Gitter (9) geworfen wird, welches das Licht spektral zerlegt und auf eine Blende (10) reflektiert, hinter der zwei Meßwertaufnehmer (11) und (12) für die Erfassung der Meßwellenlänge und einer Referenzwellenlänge angeordnet sind. Die Meßwertaufnehmer (11) und (12) sind elektrisch mit einer Vorauswertungseinheit (13) verbunden, welche eine Teilauswertung der Meßwerte vornimmt. Diese Einheit ist elektrisch mit der nicht dargestellten Anzeigeeinheit verbunden, wie durch einen Pfeil (14) angedeutet, der die Versorgungs- und Steuerleitungen zwischen Tauchsonde und Anzeige- und Auswerteeinheit symbolisiert.

Ein in dem Gehäuse (2) untergebrachtes Netz- und Steuerteil (15) lie­ fert die für den Betrieb der Tauchsonde benötigte elektrische Energie.

Im Strahlengang (8) ist in die Seitenwand bzw. den Mantel des Gehäuses (2) ein Einsatz (16) austauschbar eingelassen, der im Querschnitt etwa U-förmig ausgebildet ist und in seinen beiden einander gegenüberliegenden parallelen Seitenwänden (17) und (18) jeweils ein Quarzfenster (19) bzw. (20) enthält. Innerhalb des eine Meßstrecke bildenden Einsatzes (16) ist vor jedem der Quarzfenster (19) und (20) jeweils ein dieses Fenster reinigender und mechanisch bewegbarer Wischer (21) bzw. (22) angeordnet. Beide Wischer sind über ein hier nur angedeutetes mechanisches Getriebe (23) miteinander gekoppelt und werden von einem Motor (24) intervallweise angetrieben. Die Intervall-Länge ist variabel. Die Wischer (21) und (22) gewährleisten, daß Ablagerungen aus dem in den Einsatz (16) eindringenden zu untersuchenden Wasser die Quarzfenster (19) und (20) nicht dauerhaft verschmutzen.

Der Einsatz (16) ist auswechselbar, damit die Länge der Meßstrecke verändert werden kann, einfach dadurch, daß man Einsätze mit unterschiedlich weit auseinander liegenden Seitenwänden (17) und (18) einbaut.

Die Blitzlichtlampe (5) bündelt über die Blenden (6) und Linsen (7) einen fokussierten Lichtstrahl, der durch den die Meßstrecke bildenden Einsatz (16) und das darin befindliche flüssige Medium hindurchgeht. Hinter der Meßstrecke und den dort befindlichen Blenden (6) und der zweiten Quarzlinse (7) wird der Lichtstrahl vom Gitter (9) spektral zerlegt. Eine diffinierte Positionierung der Meßwertaufnehmer (11) und (12) für die Meßwertwellenlänge und die Referenzwellenlänge bzw. die Anordnung und Ausbildung der Blende (10) erlaubt eine stoffspezifische Auswertung des Absorptionsspektrums sowie einen hohen Grad an Kompensation der spektralen unabhängigen Störgrößen.

Die ermittelten Meßsignale werden in der Vorauswertungseinheit (13) verstärkt und in die nicht dargestellte Auswerteeinheit gemäß dem Pfeil (14) übertragen.

Die Reinigung der Meßstrecke erfolgt in regelmäßigen Abständen mittels der Wischer (21) und (22), die vom Motor (24) nach vorgegebenen und veränderbaren Zeitintervallen angetrieben werden.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Bestimmen der Komponenten in flüssigen Medien wie wäßrigen Lösungen, mit einer flüssigkeitsdicht gekapselten Tauchson­ de, in der eine Lichtquelle und ein Linsensystem für von der Licht­ quelle emittiertes Licht untergebracht sind, und mit einer Auswerte- und Anzeigeeinheit, wobei Tauchsonde und Anzeigeeinheit mittels eines elektrische Signale übertragenden Kabels miteinander verbunden sind, und daß das Linsensystem der Tauchsonde (1) eine Meßstrecke mit zwei in dem Gehäuse (2) der Tauchsonde (1) einander gegen­ überliegend angeordneten Fenstern (19, 20) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß in der Tauchsonde (1) hinter der Meßstrecke eine Einrich­ tung zum Zerlegen des UV-Lichtes und zum getrennten Aufnehmen von Licht mit Meßwertwellenlänge und Referenzwertwellen­ länge in der Tauchsonde angeordnet ist, wobei die Einrichtung zum Zerlegen des UV-Lichtes ein in dem Gehäuse (2) der Tauchsonde (1) angeordnetes Gitter (9) ist und wobei die Einrichtung zum getrennten Aufnehmen von Licht bestimmter unterschiedlicher Wellenlängen zwei Meßwert­ aufnehmer (11, 12) aufweist, die hinter einer zwei Öffnungen enthal­ tenden, im Reflexionsbereich der Einrichtung (9) zum Zerlegen des Lichtes befindlichen Blende (10) angeordnet sind und wobei die beiden Meßwertaufnehmer (11, 12) elektrisch mit einer sich im Gehäuse (2) der Tauchsonde (1) befindlichen gemeinsamen Verstärkungs- und Vorauswertungseinheit (13) verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß­ strecke aus einem das Gehäuse (2) der Tauchsonde (1) auswechselbar einbaubaren Einsatz (16) mit zwei im Abstand voneinander und paral­ lel zueinander angeordneten Seitenwänden (17, 18), in denen jeweils eines der beiden in Flucht zueinander befindlichen Fenster (19, 20) vorgesehen ist, gebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Fenster (19, 20) ein mit seiner Außenseite zusammenwirkender Reinigungswischer (21, 22) zugeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Reinigungswischer (21, 22) miteinander gekoppelt und mit einem gemeinsamen und steuerbaren Antriebsmotor (24) verbunden sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß im Gehäuse (2) der Tauchsonde (1) eine elektrische Steuer­ einheit (15) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das Gehäuse (2) der Tauchsonde (1) einen hohl ausgebildeten Hals (3) mit einem abgewinkelten Rohr (4) aufweist.