DE3934408A1

DE3934408A1 - Monitoring stem for chemical content of liquids and gases - contg. linkable measurement modules for fully automated in-situ analysis for detection of harmful contents

Info

Publication number: DE3934408A1
Application number: DE19893934408
Authority: DE
Inventors: Erfinder Wird Nachtraeglich Benannt Der
Original assignee: KRUPS RUEDIGER; Robert Krups GmbH and Co KG
Current assignee: KRUPS RUEDIGER; Robert Krups GmbH and Co KG
Priority date: 1989-10-14
Filing date: 1989-10-14
Publication date: 1991-04-25

Abstract

A monitoring system for the chemical content of liquids and gases contains modules which can be linked together in a chain for the analysis of harmful materials in flowing water. The quantitative analysis measurement modules can be linked together using the master slave principle. Each module can contain one or more linking elements. USE/ADVANTAGE - Monitoring harmful chemical components in flowing water fully automatically and in-situ. Immediate indication of dangerous water content without delays caused by manual processes. Modular construction allows efficient prodn. and easy adaptation to different measurement situations.

Description

Die Schadstoffmessung und damit die Überwachung von Fließgewässern ist bisher nur mit sehr aufwendigen und arbeitsintensiven Laboranalysen möglich. Vor Ort sind nur Grundwertbestimmungen möglich (Sauerstoffgehalt, PH-Wert, Leit wertbestimmung etc.). Eine weitere Möglichkeit, die benutzt wird, ist der Einsatz kostspieliger Laborschiffe, die naturgemäß enge Grenzen hat. Da zudem die einzelnen Untersuchungsstellen nur bedingt miteinander kommunizieren, sind globale Übersichten über den Zustand nur in großen Zeitabständen möglich. Eine kontinuierliche Überwachung der chemischen Belastung eines Fließgewässers über seinen gesamten Verlauf ist derzeit nicht möglich.So far, the pollutant measurement and thus the monitoring of flowing waters has been only possible with very complex and labor-intensive laboratory analyzes. On site only basic value determinations are possible (oxygen content, pH value, conductivity valuation etc.). Another option that is used is use expensive laboratory ships that naturally have narrow limits. Since also the communication between individual examination centers is limited Global overviews of the status are only possible at long intervals. A continuous monitoring of the chemical pollution of a watercourse via its entire course is currently not possible.

Eine solche Überwachung ist aber aus volkswirtschaftlichen und vor allem aus Umweltschutzgründen unbedingt notwendig, da durch die in letzter Zeit immer häufiger auftretenden "Umweltkatastrophen" riesige Folgeschäden entstehen, die nur schwer wieder zu beheben sind. Für den Umfang der Folgeschäden ist der Zeit faktor, das heißt die Zeit, die bis zur Erkennung der Belastung und die Zeit bis zur Einleitung entsprechender Gegenmaßnahmen, die bestimmende Größe. Dazu kommt, daß diese Größe als Potenz eingeht, das bedeutet, daß sich bei doppelter Zeit der Schaden verzehnfacht haben kann.Such surveillance is, however, economic and, above all, from Environmental reasons absolutely necessary, because of the lately Often occurring "environmental disasters" result in huge consequential damages that are difficult to fix. It's time for the extent of the consequential damage factor, that is the time until the load is recognized and the time until to initiate appropriate countermeasures, the determining size. To comes that this quantity comes in as a power, which means that with double Time the damage can have increased tenfold.

Daher ist es unbedingt notwendig ein System zu entwickeln, daß eine kontinuierliche Überwachung bei vertretbaren Kosten ermöglicht. Da der Haupt posten bei den Kosten die Personalkosten sind und notwendiges Fachpersonal nur bedingt verfügbar ist, muß das System möglichst ohne oder aber mit möglichst wenig Personal auskommen. It is therefore imperative to develop a system that enables continuous monitoring at reasonable costs. Because the main post the costs are the personnel costs and necessary specialist personnel is only available to a limited extent, the system must be as possible without or as possible few staff get along.

Des weiteren muß sich das System leicht an die besonderen Gegebenheiten der einzelnen Meßpunkte anpassen lassen. Es muß also modular aufgebaut sein. Um das System automatisch ohne Personal zu betreiben, müssen die Module verkettbar sein, und zwar ohne allzu großen Aufwand. Dazu kommt noch der Zeitfaktor, der dazu zwingt, daß der zeitliche Abstand der Messungen nicht zu groß wird, da sonst die notwendige kontinuierliche Überwachung nicht gegeben ist.Furthermore, the system must easily adapt to the have the particular circumstances of the individual measuring points adjusted. So it has to be modular. To operate the system automatically without personnel, the modules must be be chainable, and that without too much effort. In addition, there is the time factor, which forces the time interval the measurements do not become too large, otherwise the necessary continuous Monitoring is not provided.

Diese und noch weitere Probleme wie zum Beispiel Langzeitstabilität, Selbst test, automatische Kalibrierung etc. waren bisher nicht zu lösen. Bisherige Lösungsansätze haben sich in der Praxis nicht bewährt.These and other problems such as long-term stability, self test, automatic calibration etc. could not be solved so far. Previous Approaches have not proven successful in practice.

Im Laufe unserer intensiven Überlegungen und Versuche sind wir dann auf die überraschende Lösung für alle Probleme gestoßen. Sie besteht in der Anwendung eines mehrfach verschachtelten Master-Slave-Prinzips. Dies erforderte die Entwicklung und/oder Anwendung besonderer Elektronik bauteile und besonderer Meßeinheiten. Dazu kommt ein neuartiges Programm konzept. Das Ergebnis ist ein neues System, das erstmals alle Forderungen erfüllt.In the course of our intensive deliberations and experiments, we are up encountered the surprising solution to all problems. It consists in the Use of a multiple nested master-slave principle. This required the development and / or application of special electronics components and special measuring units. There is also a new program concept. The result is a new system that, for the first time, meets all demands Fulfills.

Das System wird im folgenden auf Grund der Einzelmodule beschrieben.The system is described below on the basis of the individual modules.

1. prechamber module

Dieses Modul besteht aus einem Behälter, in den in regelmäßigen Zeitabständen (Meßzyklus) eine bestimmte Menge des zu überwachenden Mediums über eine fest verlegte Probenleitung durch ein geeignetes Fördermittel transportiert wird. Das Modul besitzt ein Vorfilter, in dem mechanische Verunreinigungen ab einer bestimmten Korngröße ausgefiltert werden. Von dieser Gesamtprobenmenge wird ein Teil direkt für Grundmessungen abgezweigt. Von dem Rest wird eine genau abgemessene Menge in das Filtermodul geleitet, der Rest wird durch ein Feinfilter in die Hauptkammer transportiert. Vor- und Feinfilter sind jeweils doppelt vorhanden und die Steuerung schaltet nach einer bestimmten Durchlaufmenge von der ersten auf die zweite Filtereinheit um. Die zuvor benutzte Filtereinheit wird automatisch durch Rückspülung mit Reinwasser (Leitungswasser) gereinigt. Die Durchlaufmenge bis zum Wechsel wird in Abhängigkeit zu den Meßwerten des nachfolgenden Filtgermoduls bestimmt. Die Steuerung basiert auf einem geeigneten Mitglied der 8051 Microcontrolerfamilie, der als Slave programmiert ist. Dieser Controler steuert den gesamten Ablauf in seinem Modul und berücksichtigt selbständig die ihm von anderen Slaves oder dem Master zugeführten Meß- bzw. Korrekturwerte. Eigene Werte gibt er an den Master bzw. andere Slaves weiter. Das dazu notwendige Programm ist in einem externen Programmspeicher niedergelegt, so daß es durch Wechsel dieses Speichers leicht an verschiedene Gegebenheiten anzupassen ist. Das Programm ist modular programmiert, so daß ein neues Programm leicht durch geeignete Auswahl der Programmgrundmodule und einfaches Verbinden rationell zu realisieren ist.This module consists of a container in which at regular intervals (Measuring cycle) a certain amount of the medium to be monitored over a fixed installed sample line is transported by a suitable means of transport. The module has a pre-filter in which mechanical impurities from one certain grain size can be filtered out. Out of this total sample amount a part branched off directly for basic measurements. One of the rest becomes exact the measured quantity is fed into the filter module, the rest is Fine filter transported into the main chamber. Pre and fine filters are each duplicated and the control switches after a certain one Flow rate from the first to the second filter unit. The one before used filter unit is automatically backwashed with pure water (Tap water) cleaned. The throughput until the change is in Dependence on the measured values of the subsequent filter module determined. The Control is based on a suitable member of the 8051 microcontroller family, which is programmed as a slave. This controller controls the entire process in its module and takes into account that of other slaves or measured or correction values supplied to the master. He gives his own values to the Master or other slaves. The necessary program is in one external program memory deposited so that it by changing this memory is easy to adapt to different circumstances. The program is modular programmed so that a new program can be easily selected by appropriate selection Basic program modules and simple connection can be efficiently implemented.

2. Filter module

Das Filtermodul besteht aus einer Filterkammer, deren Oberteil wegklappbar oder wegfahrbar ist, so daß automatisch ein blattförmiges Filter aus einem geeigneten Werkstoff eingelegt werden kann. Des weiteren hat das Filtermodul eine Trockeneinrichtung und eine sehr genaue Wägeeinrichtung. The filter module consists of a filter chamber, the upper part of which can be folded away is moved away, so that a sheet-shaped filter automatically from a suitable Material can be inserted. Furthermore, the filter module has one Drying device and a very precise weighing device.

Bei jedem Meßzyklus wird ein neues, zuvor gewogenes Filterblatt eingelegt. Dann wird wie zuvor beschrieben eine genau dosierte Menge der Probe hindurchgedrückt. Anschließend wird das Filterblatt automatisch entnommen, in der Trockeneinrichtung definiert getrocknet (Feuchtsensor) und zurückgewogen. Aus der Gewichtsdifferenz läßt sich die Menge der mechanischen Verunreinigungen unterhalb der vom Vorfilter vorgegebenen Korngröße pro l ermitteln. Der Wert wird an den Master und den Vorkammerslave übermittelt und von diesem weiterverarbeitet. Der Ablauf wird ebenfalls von einem Controler der 8051 Familie gesteuert. Der Filtervorrat wird gleichfalls automatisch überwacht und bei Unterschreitung eines Mindestvorrats über den Master und das Kommunikationsmodul eine Wartung angefordert. Es ist auch möglich, mehrere Filtermodule mit verschiedenen Filtern hintereinander zu schalten, um einzelne Korngrößenbereiche zu selektieren. Die gefilterte Probe wird in einem Vorratsbehälter gesammelt und steht für weitere Messungen zur Verfügung. Nach jedem Filtervorgang wird die Filterkammer automatisch gereinigt. A new, previously weighed filter sheet is inserted in each measuring cycle. Then a precisely dosed amount of the sample is pressed through as described above. Then the filter sheet is automatically removed from the Drying device defined dried (moisture sensor) and weighed out. Out the weight difference can be the amount of mechanical impurities Determine below the grain size per l specified by the prefilter. The value will transmitted to and from the master and the pre-chamber slave processed further. The process is also controlled by a controller from the 8051 family controlled. The filter supply is also automatically monitored and at Falling below a minimum stock of the master and the Communication module requested maintenance. It is also possible to have several Filter modules with different filters can be connected in series to individual Select grain size ranges. The filtered sample is in one Storage container collected and is available for further measurements. To The filter chamber is automatically cleaned with every filtering process.

3. Main chamber module

Das Hauptkammermodul dient hauptsächlich als Vorratsbehälter für den Probenteil, der im Feinfilter vorgereinigt wurde. Aus diesem Vorratsbehälter entnehmen die Meßmodule ihre Proben. Der Probenrest verbleibt bis kurz vor Beginn des nächsten Meßzyklus in der Hauptkammer und steht bis zu diesem Zeitpunkt für Kontrollmessungen zur Verfügung. Die Hauptkammer wird dann automatisch entleert und gereinigt. In regelmäßigen Abständen wird die Hauptkammer automatisch desinfiziert, um eine Algenbildung zu verhindern. Steuerung wie vor. Für die Probe aus dem oder den Filtermodulen ist eine eigene Hauptkammer vorhanden, die gleich funktioniert.The main chamber module mainly serves as a storage container for the sample part, which has been pre-cleaned in the fine filter. Take the from this storage container Measuring modules their samples. The rest of the sample remains until shortly before the start of the next one Measuring cycle in the main chamber and up to this point stands for Control measurements are available. The main chamber is then emptied automatically and cleaned. The main chamber becomes automatic at regular intervals disinfected to prevent algae formation. Control as before. For the rehearsal From the filter module or modules there is a separate main chamber, which is the same works.

4. Measuring modules

Es sind verschiedene unterschiedlich aufgebaute Meßkammern vorgesehen. Dies soll im Baukastensystem realisiert werden, so daß durch Hinzunahme weiterer Teile jede Modifikation möglich wird.
Das Grundmeßmodul besteht aus einer Dosiereinrichtung, die eine genau bemessene Probenmenge in die Meßkammer einbringt. In dieser Meßkammer befindet sich ein stoffspezifischer Spezialsensor, der die quantitative Analyse für seinen Stoff vornimmt. Der Meßwert wird im Controler (8051 Familie) weiterverarbeitet und bewertet. Die Ergebnisse werden an den Master übermittelt. Bei Grenzwertannäherung werden automatisch Kontrollmessungen vorgenommen und ein Signal an den Master gegeben, der eine Verkürzung der Meßzykluszeit vornimmt. Bei Grenzwertüberschreitung wird sofort ein Gefahrsignal an den Master gegeben, der entsprechende Notprogramme initialisiert. Dann werden Kontrollmessungen vorgenommen. Der Master wird dann von zyklischer Messung auf Dauermessung umschalten. Various differently designed measuring chambers are provided. This should be realized in a modular system, so that any modification is possible by adding additional parts.
The basic measuring module consists of a dosing device that introduces a precisely measured amount of sample into the measuring chamber. In this measuring chamber there is a substance-specific special sensor that carries out the quantitative analysis for its substance. The measured value is processed and evaluated in the controller (8051 family). The results are sent to the master. When the limit value is approached, control measurements are automatically carried out and a signal is sent to the master, which shortens the measuring cycle time. If the limit is exceeded, a danger signal is immediately sent to the master, which initiates the corresponding emergency programs. Then control measurements are taken. The master will then switch from cyclical measurement to continuous measurement.

Bei Stoffen, die unterhalb der Nachweisgrenze der vorhandenen Sensoren liegen, wird in einer Vorkammer eine genau definierte Menge einer Reinlösung dieses Stoffes zugegeben und sorgfältig gemischt. Dann wird wieder eine definierte Probenmenge in die Meßkammer gegeben und gemessen. Der Meßwert wird vom Controler entsprechend korrigiert. Damit sind Messungen unterhalb der heutigen Nachweisgrenze möglich. Es ist auch möglich, wenn bei einer ersten Messung festgestellt wird, daß der Meßwert in einem ungünstigen Teil der Kennlinie des Sensors liegt, bei einer zweiten Messung auf die gleiche Art den Meßwert in einen günstigeren Teil der Kennlinie zu verschieben und entsprechend zu korrigieren. Alles wird automatisch vom Controler gesteuert. Desgleichen kann mit einem Temperierzusatz die Probe wenn nötig temperiert werden. Das Gleiche gilt für Abkühlung. Des weiteren muß gegebenenfalls in der Vorkammer die Probe chemisch vorbehandelt werden, um Störstoffe vor der Messung zu beseitigen. Da es Sensoren gibt, die nicht nur auf einen sondern auf zwi oder drei Stoffe reagieren, sind auch Meßmodule vorgesehen, bei denen zuerst eine Gesamtmessung vorgenommen wird, dann wird einer der drei Stoffe chemisch entfernt und eine weitere Messung der gleichen Probe vorgenommen, nach der chemischen Entfernung des zweiten Stoffes wird eine dritte Messung gemacht. Der Controler ermittelt dann subtraktiv die Einzelmengen für jeden der drei Stoffe. An den Master werden nur die aufbereiteten Endwerte übermittelt. Vor jeder neuen Messung reinigt sich das Meßmodul vollautomatisch. Die Bevorratung eventuell notwendiger Zusatzchemikalien wird laufend überprüft und bei Bedarf eine Wartung veranlaßt. Auch eventuelle Kalibriermessungen werden vollautomatisch selbständig gemacht und eventuelle Korrekturwerte berücksichtigt. Für die Meßmodule sind erfindungsgemäße Sensoren vor allem Biosensoren vorgesehen, die aber in einer eigenen Anmeldung behandelt werden sollen. For substances that are below the detection limit of the existing sensors, is a precisely defined amount of a pure solution in a prechamber Added substance and mixed thoroughly. Then another is defined Sample amount added to the measuring chamber and measured. The measured value is from Controler corrected accordingly. This means that measurements are below today's Detection limit possible. It is also possible when taking a first measurement it is found that the measured value in an unfavorable part of the characteristic of the Sensor is in a second measurement in the same way the measured value in one shift the cheaper part of the characteristic curve and correct it accordingly. Everything is controlled automatically by the controller. Likewise, with one Tempering additive, the sample can be tempered if necessary. The same applies Cooling down. Furthermore, the sample may have to be chemical in the antechamber be pretreated to remove contaminants before the measurement. Since there are sensors there are that react not only to one but to two or three substances measurement modules are also provided in which an overall measurement is carried out first then one of the three substances is chemically removed and another measurement the same sample is made after chemical removal of the second A third measurement is made of the material. The controller then determines subtractively the individual quantities for each of the three substances. Only the prepared final values transmitted. This cleans itself before each new measurement Measuring module fully automatic. The storage of any necessary additional chemicals is continuously checked and if necessary, maintenance is arranged. Also possible Calibration measurements are made fully automatically and any Correction values taken into account. Sensors for the measuring modules are according to the invention primarily provided biosensors, but dealt with in a separate application should be.

5. Master module

Das Mastermodul überwacht alle Slavemodule, koordiniert ihre Arbeit, paßt den Meßzyklus der Situation an und nimmt die einzelnen Meßwerte der anderen Module entgegen. Er setzt die Einzelwerte in Beziehung und erstellt eine Gesamtlagebeurteilung. Diese übermittelt er über ein Kommunikationsmodul an die angeschlossene Zentralstelle. Bei Gefahrensituationen initialisiert er entsprechende Programme, die angeschlossene gefährdete Einrichtungen (z. B. Wasserwerke) ganz oder teilweise Stillegen um größere Schäden zu vermeiden oder er löst dort schon bei Grenzwertannäherung Alarm aus. Das ist auch selektiv möglich, wenn der betroffene Stoff nur einen Teil der Einrichtungen gefährdet. Je nach geforderter "Intelligenz" hat er zusätzlich zu dem oder den Controlern noch einen Mikroprozessor und ggf. einen mathematischen Koprozessor, damit notwendige Rechenleistungen schnell erbracht werden können. Auch ist er modular auf der Basis eines Normbus aufgebaut und jederzeit erweiterbar.The master module monitors all slave modules, coordinates their work, fits the Measuring cycle of the situation and takes the individual measured values of the other modules opposite. He relates the individual values and creates one Overall assessment. It transmits these to the via a communication module connected central office. In dangerous situations, he initializes the corresponding Programs that connected connected facilities (e.g. waterworks) entirely or partially shutdown to avoid major damage or it is already loosening there when limit value approaching alarm off. This is also possible selectively if the affected substance endangered only part of the facilities. Depending on the required In addition to the controller (s), he also has "intelligence" Microprocessor and possibly a mathematical coprocessor, so necessary Computing can be performed quickly. It is also modular at the Based on a standard bus and can be expanded at any time.

6. The communication module

Es sind verschiedene Formen vorgesehen:Different forms are provided:

a) A communication module for a permanently connected data line.
b) A module for normal telephone lines with automatic dialing etc.
c) A module for radio telephone connection (C network)

Gegebenenfalls noch notwendige Spezialmodule. Any special modules that may be required.

The basic innovations are

1. Measuring and processing modules according to the invention, whereby fully automatic On-site analyzes are possible that were previously only possible in laboratories permanent monitoring for the first time.
2. Fully automatic security immediately upon first detection without human Delay.
3. Due to the modular structure, rational production and, above all, light and optimal adaptation to the respective measuring situation.
4. Depending on the danger, the substances can be treated separately, because of the individually assigned controller the corresponding control and computing capacity Available.
5. With the master-slave method, all measurements take place simultaneously, so that very short cycle times can be realized.
6. Measuring methods according to the invention such as raising the detection limits or Selection by a combination of chemical and measurement methods with Data processing and thus the implementation of human procedures in the automatic.
7. Modular programming and therefore quick and optimal adjustment of the Program to any configuration. At the same time, by combining the modular programs with the master-slave process is a previously not possible Complexity attainable.

Claims

We reserve the right to make further claims.

1. Use of chainable modules according to claims in Monitoring systems for pollutant analysis in flowing waters.

2. Measuring modules for the quantitative analysis of liquid and gaseous Media, characterized in that the modules after the master-slave Principle can be linked and one or more linking elements contain.