DE60222043T2

DE60222043T2 - Kontaktloser optischer Monitor

Info

Publication number: DE60222043T2
Application number: DE60222043T
Authority: DE
Inventors: Jürgen Harald Schmalfuss; Brian Dominic Portmarnock Maccraith; Mark Joseph Castlenock O'Connor; Stephen Lindsay Swindon Russell
Original assignee: WRC PLC
Current assignee: WRC PLC
Priority date: 2001-03-17
Filing date: 2002-03-15
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2022-03-16
Also published as: ES2291421T3; DE60222043D1; EP1241464B1; GB0106676D0; EP1241464A1; ATE371855T1

Description

Die Erfindung betrifft die Messung von Eigenschaften einer flüssigen Probe durch ein berührungsloses optisches Verfahren.
Industierelle Prozesse erfordern häufig eine Überwachung eines oder mehrerer Schlüsselparameter, welche die Qualität des Prozessmaterials charakterisieren, zum Beispiel die Trübheit oder Farbe eines Getränks. Viele dieser Messungen werden schnell und kontinuierlich von Inline-Prozessanalysatoren durchgeführt, anstatt auf Ergebnisse von Messungen zu warten, welche an entnommenen Proben des Prozessmaterials in einem Labor außerhalb der Fertigungslinie durchgeführt werden. Manche Prozessmaterialien sind besonders kompliziert zu handhaben, wie zum Beispiel Abwässer, Molkereiprodukte oder Metallschmelzen. Dies führte zu berührungslose Messtechniken, welche eine Ausführung der Messung anstreben, während ein direkter Kontakt zwischen dem Messsystem und dem Prozessmaterial vermieden wird. Auch Gesundheits- oder Sicherheitsprobleme können berührungslose Messungen erstrebenswert machen.
Ein Beispiel eines solchen Prozesses ist die Sammlung, Behandlung und Entsorgung von Abwässern. Kommunale Abwasserkläranlagen und Industrieabwasserkläranlagen werden benötigt, um die umweltschädliche Belastung des Abfalls vor der Abgabe auf ein festgelegtes Niveau zu reduzieren und profitieren von einer kontinuierlichen Messung bestimmter Schlüsselparameter der Verschmutzung, wie beispielsweise die Konzentration suspendierter Feststoffe, der Biochemische Sauerstoffbedarf (BOD), der Chemische Sauerstoffbedarf (COD) und die Ammoniakkonzentration. Solche Daten sind sowohl von dem Auslass als auch von dem Einlass der Anlage und innerhalb des Sammelnetzwerks nützlich, wobei zum Beispiel bedeutende Änderungen der umweltschädlichen Belastung Betreiber die Notwendigkeit einer Anpassung der Belüftung in der biologischen Stufe der Anlage anzeigen können. Dem erkannten Bedarf wird durch eine Reihe von Überwachungsinstrumenten nachgekommen, wobei manche in einen Flusskanal getaucht werden und andere eine Probe durch einen chemischen Analysator pumpen. Die Zuverlässigkeit dieser Instrumente wird durch den direkten Kontakt mit der Abwasserprobe negativ beeinträchtigt, welche oft Rohre verstopft oder optische Oberflächen mit Lagen von Fett, Biofilmen oder Dreck belegt. Ferner sind diese Instrumente häufig komplexe Vorrichtungen, sodass die Kosten zur Überwachung des Abwassers sowohl bei den anfänglichen Investitionskosten als auch bei den Wartungskosten zum Aufrechterhalten eines Betriebs der Instrumente mit annehmbarer Präzision hoch sind. Viele dieser Vorrichtungen erfordern Hilfsmittel zum Betrieb, wie beispielsweise Druckluft oder Leitungswasser zur Unterstützung der Reinigung, wodurch sowohl weitere Installations- als auch Betriebskosten verursacht werden und eine Anwendung eingeschränkt wird.
Nach dem Stand der Technik wurde eine Reihe von berührungsfreien Methoden zum Minimieren oder Verhindern des direkten Kontakts zwischen der Probe und der Messeinrichtung entwickelt. Beispiele solcher Einrichtungen sind der im US-Patent Nr. 3.309.956 beschriebene Oberflächenstreuungs-Trübungsmesser, welcher eine spezielle Flusszelle verwendet, bei der die Probe eine spiegelartige Oberfläche bildet, und die Trübheit der Probe durch ein Prüfen der Oberfläche unter Verwendung eines Lichtstrahls und eines Detektors gemessen wird, welcher zum Messen von nicht gespiegelt reflektiertem Licht ausgelegt ist. Eine Weiterentwicklung dieses Systems wird in dem US-Patent Nr. 5.400.137 beschrieben, welche eine sehr ähnliche Anordnung einer Flusszelle einsetzt, aber zusätzlich zur Trübheitsmessung eine Lichtquelle und einen Detektor zur Fluoreszenzmessung von Öl oder anderem fluoreszierendem Material einschließt. Varianten des berührungslosen Prinzips sind die von Sigrist hergestellten Flusszellen mit fallender Säule, in denen die Probe als kontinuierlich fallender Strom angeordnet ist, welcher zur Bestimmung der Trübheit, Absorption oder Fluoreszenz optisch abgefragt wird. Die Instrumente von Sigrist verwenden Lichtquellen und Detektoren, welche um die fallende Säule angeordnet sind, während die in dem UK-Patent Nr. 2.310.282 beschriebene Anordnung einen Lichtstrahl verwendet, der von innerhalb eines Kopfbehälters oberhalb der fallenden Säule in diese gerichtet wird und dann Licht detektieren kann, welches von der fallenden Flüssigkeitsprobe gestreut oder absorbiert wird. All diese berührungslosen Systeme verwenden ein Probenentnahmesystem, welches seinerseits zu Verschmutzungen und Verstopfungen neigt. Ferner kann die entnommene Flüssigkeit nicht repräsentativ für den Hauptstrom sein, insbesondere wenn eine Reihe von verschiedenen suspendierten Materialien vorliegen.
In der US 4.668.860 wird ein Streustrahlungsmesser zur Beurteilung der Oberflächeneigenschaft eines optischen Elements, welches aus einem Material mit einer Licht streuung im Materialkörper hergestellt ist, durch Messen des von der Oberfläche gestreuten Lichts offenbart.
Wir haben nun einen Weg zur Behebung dieser Schwierigkeiten gefunden. Allgemein bezieht sich die Erfindung auf eine in Anspruch 1 definierte Vorrichtung zur Überwachung einer oder mehrerer Eigenschaften einer flüssigen Probe.
In einer Ausführung schließt die Vorrichtung mindestens zwei nebeneinander angeordnete Quellen kollimierter Strahlung oder mindestens zwei auf einer gemeinsamen optischen Achse angeordnete Quellen kollimierter Strahlung ein.
In einer Ausführung schließt die Vorrichtung mindestens zwei nebeneinander angeordnete Strahlungsdetektoren oder mindestens zwei auf einer gemeinsamen optischen Achse angeordnete Strahlungsdetektoren ein.
Vorzugsweise ist die oder jede Quelle kollimierter Strahlung ein Laser.
In einer Ausführung ist die Vorrichtung zum Betrieb in einer handgehaltenen Art und Weise geeignet. Zu diesem Zweck kann die Vorrichtung mit Mitteln zum Ermöglichen eines Haltens per Hand, wie beispielsweise einem Handgriff, versehen sein und eine Größe und Gewicht besitzen, sodass sie leicht tragbar ist. In dieser Ausbildung ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung ferner Mittel zum Messen der Entfernung von der Vorrichtung zur Probenoberfläche umfasst, wie beispielsweise einen positionsempfindlichen Detektor. Auch ist es erstrebenswert, dass die Vorrichtung ferner ein Neigungsmesser umfasst. In dieser Ausführung ist der Detektor vorzugsweise relativ zur Strahlungsquelle beweglich ausgebildet. Eine einstellbare Verbindung kann zwischen der Quelle und dem Detektor vorgesehen sein, wobei diese Verbindung vorzugsweise eine teleskopartige verschiebbare Verbindung ist.
Bevorzugt umfasst die Vorrichtung ferner Mittel zum Anpassen an Änderungen des Niveaus der Probe.
Es ist erwünschenswert, dass die Strahlungsquelle drehbar und steuerbar ist, sodass die Wechselwirkung zwischen Strahlung und Probe in oder nahe der optischen Achse des Strahlungsdetektors auftritt.
Vorzugsweise wird der Winkel zwischen der Achse der kollimierten Strahlung und der optischen Achse des Detektors von der Einrichtung durch Verwendung eines Spiegels an einer motorisierten, sich drehenden Welle gesteuert, sodass die Wechselwirkung zwischen Strahlung und Probe in oder nahe der optischen Achse des Strahlungsdetektors auftritt.
In einer bevorzugten Ausbildung besteht der Detektor aus einer linearen Anordnung von Detektoren oder einem einzelnen positionsempfindlichen Detektor, sodass sich beim Ändern des Niveaus das Bild des Bereichs der Wechselwirkung der Quellenstrahlung und der Probe seitwärts über den Detektor bewegt.
In einer bevorzugten Ausbildung werden die Strahlungsquelle und der Strahlungsdetektor zusammen auf einem Schwimmkörper befestigt, welcher an einem oder mehreren Schwingarmen oder Halteseilen frei beweglich ist, um eine konstanten Entfernung zwischen der Strahlungsquelle, der Strahlungsdetektoren und der Probenoberfläche aufrechtzuerhalten.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung ferner Mittel zur Messung von Verlusten quer durch die optischen Fenster. Die Mittel zur Messung von Verlusten quer durch die optischen Fenster können ein Detektorfenster einschließen, welches so angeordnet ist, dass kollimierte Strahlung direkt und ohne eine Wechselwirkung mit der Probe von der Strahlungsquelle durch das Fenster der Strahlungsquelle und das optische Fenster des Detektors geführt werden kann.
Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise ferner ein Datenglättungsmittel zum Glätten der von dem Detektor empfangenen Daten, wie beispielsweise ein Mittelwertfilter. Manche Anwendungen erzeugen für die Streu- und Fluoreszenzdaten störend hohe Werte, welche zum Beispiel durch große Wellen, Schaum und stark reflektierende, schwimmende Objekte verursacht werden. Die Daten können durch Nutzung des Mittelwertfilters geglättet werden, um diese störenden Datenwerte zu beseitigen.
In einem bevorzugtem Aufbau umfasst die Vorrichtung ein Strahlungsquellengehäuse, enthaltend die oder jede Strahlungsquelle, ein Detektorgehäuse, enthaltend den oder jeden Detektor, und eine Linse, so angeordnet, dass Strahlung von der oder jeder Strahlungsquelle durch die Linse treten muss, um den oder jeden Detektor zu erreichen, eine Halterung zum Halten des Detektorgehäuses und des Strahlungsquellengehäuses, und Steuerungsmittel zur Steuerung der oder jeder Strahlungsquelle und dem oder jedem Detektor.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Nutzung einer oben beschriebenen Vorrichtung zur Verfügung gestellt, um die Verschmutzungseigenschaften einer wässrigen Probe zu messen. Deshalb kann die Vorrichtung zum Folgern des Gehalts an suspendierten Feststoffen in der wässrigen Probe aus Messungen von gestreuter Strahlung bei einer oder mehreren Wellenlängen benutzt werden.
Die Messung von Fluoreszenz unter Verwendung von Anregung im Bereich von 360–410 Nanometern und von Emission im Bereich von 570–630 Nanometern kann zum Folgern der organischen Belastung einer wässrigen Probe benutzt werden, welche als biochemischer Sauerstoffbedarf oder als chemischer Sauerstoffbedarf ausgedrückt werden kann.
Die Messung von Fluoreszenz unter Verwendung von Anregung im Bereich von 360–410 Nanometern und von Emission im Bereich von 570–630 Nanometern kann in Kombination mit Messungen von gestreuter Strahlung zum Folgern der organischen Belastung einer wässrigen Probe benutzt werden, welche als biochemischer Sauerstoffbedarf oder als chemischer Sauerstoffbedarf ausgedrückt werden kann.
Die Flussgeschwindigkeit der wässrigen Probe kann in Kombination mit anderen Messungen zum Folgern der suspendierten Feststoffe und der organischen Belastung der fließenden Probe benutzt werden.
Die Messungen von Fluoreszenz, insbesondere in den oben aufgezeigten Wellenlängenbereichen, sind besonders nützlich zur Überwachung von Abwasser, bei dem sich herausgestellt hat, dass es auf diese Wellenlängen reagiert. Daher stellt die Erfindung auch ein Verfahren zur Überwachung von Abwasser durch Fluoreszenzmessung mit Nutzung der Anregung und Emission bei den oben beschriebenen Wellenlängen unter Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung bereit.
Es wird nun Bezug auf folgende beigefügte Zeichnungen genommen:
1 bis 8 sind schematische Seitenansichten von Ausführungen einer optischen Überwachungsvorrichtung nach der Erfindung;
9 ist eine schematische Seitenansicht von einer handgehaltenen Ausführung einer optischen Überwachungsvorrichtung nach der Erfindung und
10 zeigt die Ausführung nach 9 detaillierter.
Mit Bezug auf 1 wird eine optische Detektoreinheit 1 bereitgestellt, welche auf einen Halter in Form eines starren Stabs 2 befestigt ist. Eine Quelleneinheit 3 für kollimierte Strahlung ist ebenfalls an dem Stab 2 befestigt und ist um Punkt 4 drehbar. Ein Strahlungsstrahl 5 von der Quelle 3 trifft auf die Probenoberfläche 6 und erzeugt einen spiegelnd reflektierten Strahl 7 und einen gebrochenen Strahl 8. Andere Wechselwirkungsprozesse der einfallenden Strahlung 5 und der Probe, wie beispielsweise Streuung oder Fluoreszenz können Strahlungsstrahlen wie 9, 10, 11, und 12 erzeugen. Einiges dieser Strahlung, beispielsweise die mit 13 bezeichnete, wird von einer Linse 14 gesammelt und auf einen in der Einheit 1 beherbergten Detektor 15 fokussiert.
Die Einheit 3 schließt einen Präzisionsmotor oder andere Mittel ein, um diese um den Drehpunkt 4 zu drehen. Diese Drehung wird von einem Computer 16 kontrolliert. In einer alternativen Ausführung wird die Bewegung des Strahlungsstrahls durch Ablenken des Strahlungsstrahls mit Verwendung eines auf einer Rotationswelle befestigten Spiegels erzielt. Innerhalb der Einheit 3 können sich mehr als eine Strahlungsquelle befinden, welche mit unterschiedlichen optischen Wellenlängen arbeiten, wobei die Auswahl einer Strahlungsquelle von dem Computer 16 kontrolliert wird. Der Detektor 15 ist ebenfalls mit dem Computer 16 verbunden.
Die Anordnung ist so aufgebaut, dass die Strahlungsquelleneinheit 3 unter Kontrolle des Computers 16 um die Drehachse 4 geschwenkt wird, bis der Detektor 15 ein maximales Ansprechen registriert. Auf diese Weise kann die Wechselwirkung der Strahlung mit der Probe über eine Reihe von Probenniveaus gemessen werden und es kann der Abstand zwischen der Detektoreinheit 1 und der Probenoberfläche 6 aus der Position der Strahlungsquelleneinheit 3 berechnet werden, wenn das maximale Signal am Detektor 15 registriert wird.
In einer alternativen Ausführung können die Niveauschwankungen ohne bewegliche Teile ausgeglichen werden. Mit Bezug auf 2 ist die Strahlungsquelleneinheit 3 an dem starren Element 2 in einem festen Winkel φ befestigt. Bei einer niedrigen Position 17 der flüssigen Probe wird die von der Wechselwirkung mit der Probe erzeugte Strahlung durch die Linse 14 der Detektoreinheit 1 auf dem Detektor 15 bei der Position 18 abgebildet. Wenn das Probenniveau auf die Position 19 ansteigt, wird die von der Wechselwirkung mit der Probe erzeugte Strahlung durch die Linse 14 zentral auf denn Detektor 15 abgebildet. Bei einem höheren Probenniveau 20 wird die von der Wechselwirkung mit der Probe erzeugte Strahlung durch die Linse 14 auf dem Detektor bei der Position 21 abgebildet. Es ist daher ersichtlich, dass sich die Position der abgebildeten Strahlung auf dem Detektor seitwärts bewegt, wenn sich das Probenniveau vertikal verschiebt. Falls der Detektor 15 ein positionsempfindlicher Detektor oder eine Feld von Detektoren ist, kann das Probenniveau durch das bekannte Verfahren der Triangulation aus der Position der auf den Detektor 15 einfallenden Strahlung abgeleitet werden. Zur gleichen Zeit wird eine Information über die Stärke der Wechselwirkung zwischen der Strahlung und der Probe aus der Intensität der auf den Detektor 15 einfallenden Strahlung erhalten. Falls ein Feld von Detektoren verwendet wird, kann der fortschreitende Abfall und die Ausbreitung der Strahlung beim Eindringen in die Probe gemessen werden, um zusätzliche Information über die Probe zu erhalten.
In einer weiteren alternativen Ausführung werden Veränderungen im Probenniveau dadurch ausgeglichen, dass dem optischen System ein Schwimmen auf der Probenoberfläche, welche in dieser Ausführung nur flüssig sein kann, ermöglicht wird. So wird ein konstanter Abstand zwischen dem optischen System und der Probenoberfläche erreicht. Mit Bezug auf 3 ist das optische System auf einem oder mehreren Schwimmkörpern 22 montiert, welche mit einem oder mehreren an den Punkten 24 und 25 drehbar gelagerten Armen 23 oder einer einfachen Leine an einer starren Halterung 26 befestigt sind. Die Messvorrichtung auf den Schwimmkörpern besteht aus einer Strahlungsquelleneinheit 3, welche eine oder mehrere unterschiedliche Quellen kollimierter Strahlung enthalten kann, und einer Detektoreinheit 1, die an einem starren Rahmen 27 auf den Schwimmkörpern (dem Schwimmkörper) 22 befestigt sind. Die Strahlung von der Quelleneinheit 3 trifft bei 28 auf die Flüssigkeitsoberfläche und wechselwirkt mit dieser. Dabei wird Streustrahlung, Fluoreszenzstrahlung oder andere Strahlung erzeugt, welche von der Probenoberfläche nach oben abgestrahlt wird. Einiges dieser Strahlung wird von der Linse 14 gesammelt, die die Strahlung auf den Detektor 15 fokussiert. Wenn sich das Flüssigkeitsniveau ändert, bewegt sich die an den Schwimmkörpern befestigte Vorrichtung mit der Flüssigkeit mit, wodurch ein konstanter Abstand zwischen den optischen Einheiten 3 und 1 und der Flüssigkeit aufrechterhalten wird. Das System kann einen Drehwertgeber oder andere Mittel zum Überwachen des Winkels zwischen den Armen 23 und den Schwimmkörpern (dem Schwimmkörper) 22 einschließen und dadurch das Flüssigkeitsniveau ableiten. Die Strahlungsquelleneinheit 3 wird unter der Kontrolle eines Computers betrieben, welcher in diesem Diagramm nicht dargestellt ist und mit beiden, der Strahlungsquelleneinheit 3 und der Detektoreinheit 1 verbunden ist. Der Computer kann auf dem Schwimmkörper montiert oder mit der starren Halterung an den Seiten des Kanals, des Tanks oder einer anderen Konstruktion befestigt sein.
Es sind eine Reihe von Anordnungen der Strahlenquellen und der Detektoren innerhalb der grundlegenden Geometrien von 1, 2 und 3 möglich, abhängig davon, welche Messungen zum Charakterisieren der Flüssigkeitsprobe notwendig sind. Mit Bezug auf 4, in der beispielhaft die Anordnung nach 1 verwendet wird, erzeugt die Strahlungsquelleneinheit 3 zwei oder mehrere separate, nebeneinander liegende kollimierte Strahlen von Strahlung 29 und 30. Diese treffen auf die Probenoberfläche 6 auf und Wechselwirken mit der Probe, wobei Strahlung oberhalb der Probenoberfläche erzeugt wird. Diese Strahlung wird von der Linse 14 fokussiert und erzeugt Abbildungen der Bereiche der Wechselwirkung auf zwei oder mehreren Detektoren 31 und 32, welche beispielsweise durch Nutzung geeignete Filter so angeordnet sind, dass sie auf die interessierende Strahlung reagieren. Statt der einzelnen Linse 14 können zwei separate Linsen, jeweils eine für jeden Detektor, verwendet werden. Zusätzlich zum Aufnehmen von Daten, die die Probe 6 charakterisieren, kann diese Anordnung durch Verwendung der Kreuzkorrelation der an den Detektoren 31 und 32 gemessenen Signale zur Messung der Oberflächengeschwindigkeit der Probe entlang der Richtung 33 benutzt werden.
Die Strahlungsquellen und Detektoren können nebeneinander in einer Ebene senkrecht zu der in 4 dargestellten angeordnet sein. Mit Bezug auf 5, in der beispielhaft die Anordnung nach 1 verwendet wird, sind zwei oder mehr kollimierte Strahlen von Strahlung 34 und 35 so angeordnet, dass sie nebeneinander aus der Strahlungsquelleneinheit 3 austreten und auf die Probenoberfläche 6 unter der Detektoreinheit 1 auftreffen. Diese enthält zwei oder mehr Strahlungsdetektoren 31 und 32, welche nebeneinander angeordnet sind und ein zum Überwachen der Eigenschaften der flüssigen Probe geeignetes Ansprechverhalten auf Strahlung besitzen. Von der Probenoberfläche 6 hervortretende Strahlung wird durch eine oder mehrere Linsen 14 auf die Detektoren 31 und 32 fokussiert.
Es existiert eine weitere andere Möglichkeit zur Anordnung von Strahlungsquellen und Detektoren, welche mit den grundlegenden Geometrien nach 1, 2 und 3 verwendet werden kann. Mit beispielhafter Nutzung der Anordnung nach 1 und Bezug auf 6 wird kollimierte Strahlung von zwei separaten Quellen 36 und 37 so angeordnet, dass sie aus der Strahlungsquelleneinheit 3 entlang einer gemeinsamen Achse 5 austritt. Dies wird durch die Verwendung einer Platte 38 erreicht, welche teilweise versilbert oder mit einer wellenlängenselektiven Schicht beschichtet und zur Reflexion der Strahlung von der Quelle 37 und Transmission der Strahlung von der Quelle 36 ausgebildet ist, sodass die austretende Strahlung koaxial ist. Einiges der durch die Wechselwirkung mit der Probe 6 erzeugten Strahlung wird von der Linse 14 in der Detektoreinheit 1 gesammelt, wo sie durch einen Strahlenteiler 39 in zwei Anteile zum Erfassen durch die Detektoren 31 und 32 aufgeteilt wird. Eine weitere Variante dieser Anordnung wäre die Verwendung einer einzelnen Strahlungsquelle und das Messen der gestreuten Strahlung mit einem Detektor und der fluoreszierten Strahlung mit dem zweiten Detektor.
Es ist zur Kenntnis zu nehmen, dass die verschiedenen Anordnungen der 1 bis 6 zum Aufbau von Kombinationen aus parallel ausgerichteten Quellen und Detektoren verwendet werden können, um den Erfordernissen der Messung zu entsprechen.
Die Quellen kollimierter Strahlung können beispielsweise Laser sein. Falls die Quelle kollimierter Strahlung in einer Ebene polarisiert ist, ist es vorteilhaft, den E-Vektor vertikal zur Probenoberfläche auszurichten, um eine maximale Transmission an der Grenzfläche zu erhalten.
Bei dem Durchführen der zur Charakterisierung der Probe notwendigen Messungen ist es sehr erstrebenswert, dass diese nicht miteinander interferieren und nicht durch Änderungen der Umgebungsstrahlung gestört werden. Es gibt eine Reihe von Verfahren mit denen dieses erreicht werden kann. Ein Verfahren besteht darin, die Strahlungsquellen mit unterschiedlichen Frequenzen zu modulieren und Verfahren zur synchronen Detektion, wie beispielsweise Lock-In-Verstärkung zu verwenden, um nur die Strahlung von der Probe zu auszuwählen, welche durch Wechselwirkung mit der vorgesehenen Strahlungsquelle erzeugt wurde. Es kann vorteilhaft sein, von den verschiedenen Strahlungsquellen jeweils nur eine zurzeit zu betreiben, um ein Trennen der zu messenden Effekte zu unterstützen.
Änderungen des Probenniveaus beeinträchtigen die Intensität der an der Detektoreinheit empfangenen Strahlung und es ist erstrebenswert, dieses durch Verwendung eines Computers oder anderer Mittel zu korrigieren. Korrekturen sind zur Kompensation von drei Effekten erwünschenswert. Mit Bezug auf 1 ergibt sich der erste daraus, dass sich die Anteile der einfallenden Quellenstrahlung, welche von der Probenoberfläche reflektiert oder gebrochen werden, mit dem Winkel θ, in dem die Strahlung auf die Probenoberfläche auftrifft, ändern und es nur die gebrochene Strahlung ist, welche mit der Probe wechselwirkt und so zum Beispiel gestreute oder fluoreszierte Strahlung erzeugt. Die Intensität der vom Detektor empfangenen Strahlung wird mit wachsendem θ abfallen, entsprechend den bekannten Gesetzen der Reflexion und Brechung. Der zweite Effekt besteht darin, dass die Stärke der gestreuten Strahlung generell von dem Winkel zwischen der einfallenden Strahlung und der Streurichtung abhängt und dieses entsprechend den bekannten Theorien der Strahlenstreuung von der relativen Größe der Partikel und der Wellenlänge der Strahlung abhängt. Der dritte Effekt ist das Gesetz des inversen Quadrats, das für den Abstand zwischen einer punktförmigen Strahlungsquelle und einem Detektor mit fester Apertur herrscht, welches von dem System angenähert wird. Während die meisten dieser Effekte berechnet werden können, ist ein zweckmäßiges Verfahren der Korrektur die Nutzung einer aus empirischen Messungen abgeleitete Nachschlagetabelle in dem Computer, um die gemessenen Strahlungsintensitäten bezüglich der Effekte durch Ändern des Abstands zur Probe zu normieren.
Eine weiterer kompensierbarer Effekt tritt auf, wenn die Tiefe der Probe ausreichend klein ist, sodass von dem Boden des Behälters, Rohrs oder Kanals reflektierte Strahlung mit der Messung interferiert. Zum Beispiel wird dieser Effekt für Proben von grobem Abwasser bei Tiefen unter ungefähr 80 Millimeter Abwassertiefe bedeutsam und verursacht eine Erhöhung der detektierten Streustrahlung. Wie bei dem Abstandseffekt bietet eine empirisch abgeleitete Nachschlagetabelle in dem Computer ein zweckmäßiges Verfahren zum Anwenden einer Korrektur.
Alle beschriebenen Ausführungen setzen optische Fenster ein, durch welche Strahlung ausgesendet und empfangen wird. Diese Fenster neigen zur Verschmutzung durch Staub, Kondensation, Sprühwasser, Spinnengewebe und sonstiger Quellen. Die optische Anordnung der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um eine Messung des Ausmaßes der Fensterverschmutzung zur Verfügung zu stellen und somit eine Korrektur für die Strahlenverluste bei den Fenstern einzusetzen. Mit Bezug auf 7 wird die Strahlungsquelleneinheit 3 unter Verwendung von durchgehenden Linien in der normalen Messposition dargestellt, wobei der Strahl kollimierter Strahlung 5 auf die Probenoberfläche 6 auftrifft und Strahlung von der Wechselwirkung zwischen Probe und Strahlung in den Hauptdetektor 15 durch das geneigte Fenster 40 eintritt. Die Strahlungsquelleneinheit 3 kann unter Kontrolle des Computers 16 zu der mit gepunkteten Linien aufgezeigten Position angehoben werden, sodass der kollimierte Strahl 5 direkt durch das Fenster 40 tritt und den Hilfsdetektor 41 erreicht. Die Intensitätsmessungen durch den Hauptdetektor 15 variieren mit: Der Stärke der kollimierten Quellenstrahlung innerhalb der Strahlungsquelleneinheit 3, der Dämpfung durch das Fenster 42 der Strahlungsquelleneinheit, der Dämpfung durch den Weg der Strahlung durch die Luft in Folge von feuchtem Dunst oder anderen Verlusten und der Dämpfung durch das Fenster 40 der Detektoreinheit. Die vom Hilfsdetektor durchgeführte Messung mit der Strahlungsquelleneinheit in der angehobenen Position ermöglicht es daher, eine Korrektur anzuwenden, welche die Genauigkeit der Messung bei Anwesenheit irgendeiner optischen Fensterverschmutzung verbessert. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass eine Erfassung zur Messung der Winkelposition der Strahlungsquelleneinheit relativ zur Detektoreinheit bereitgestellt wird. Weitere Information kann durch Bewegen der Strahlungsquelle zu der ebenfalls als gestrichelte Linie dargestellte Position unterhalb der normalen Betriebsposition erfasst werden, sodass die kollimierte Strahlung bei 43 auf die Probe auftrifft und von der Probenoberfläche in den Hilfsdetektor 41 spiegelnd reflektiert wird. Die Strahlungsintensität am Hauptdetektor 15 wird von der Quellenintensität, Verlusten bei den Fenstern 42 und 40, Verlusten auf dem Transmissionsweg und Verlusten bei der Reflexion abhängen. Vorausgesetzt, dass die Reflexionseigenschaften der Probe 6 bekannt sind, können die Reflexionsverluste aus dem Einfallswinkel α berechnet werden, welcher aus der Drehposition der Quelleneinheit 1 bekannt ist. Die bei den zwei gestrichelten Positionen durchgeführten Messungen können anschließend verglichen werden und stellen ein Mittel zur Messung und Korrektur von Transmissionsverlusten auf der Strecke durch die Luft dar. Die niedrigere Position stellt alternativ zum üblichen Verfahren mit der Strahlungsquelleneinheit in der normalen Messposition auch ein Verfahren zur Messung des Probenniveaus zur Verfügung.
Diese Anordnung kann nicht mit den feststehenden Strahlungsquelleneinheiten benutzt werden, welche beispielsweise in 2 und 3 gezeigt werden. Eine ähnliche Korrektur für Fensterverschmutzungen kann aber durch die Nutzung der Anordnung nach 8 erzielt werden. Mit Bezug auf 8 schließt die ortsfeste Strahlungsquelleneinheit 3 eine oder mehrere Strahlungsquellen 36 zur Messung der Probeneigenschaften ein, beispielsweise nach 2 und 3, und die detektierte Strahlung von der Wechselwirkung zwischen der Strahlung und der Probe wird durch Verwendung der Detektoreinheit 1 gemessen. Auf diese Weise tritt die Strahlung durch das Fenster 42 in der Strahlenquelleneinheit 3 und das geneigte Fenster 40 in der Detektoreinheit 1. Eine Hilfsstrahlungsquelle 37 ist so in der Strahlungsquelleneinheit 3 angeordnet, dass dessen kollimierter Strahl 44 die Fenster 42 und 40 an der selben Stelle wie die Strahlung von der Quelle 36 passiert, wenn Messungen von der Probe durchgeführt werden, und wird vom Hilfsdetektor 41 detektiert. Diese Messung wird durch Verschmutzungen auf den Fenstern 42 und 40 gedämpft und kann von dem Computer 16 benutzt werden, um die Verluste auf Grund von Verschmutzungen der Fenster zu korrigieren.
In den Ausführungen nach 7 und 8 kann der Hilfsdetektor 41 durch eine innerhalb des Fensters 40 angeordnete kleine reflektierende Kugel oder einen dünnen Draht ersetzt werden. Ein solcher Draht wird Strahlung in den Hauptdetektor 15 streuen, wenn der kollimierte Strahl 5 der Quelle nach 7 oder der zusätzliche kollimierte Strahl 44 nach 8 auf den Draht auftrifft. Die an dem Hauptdetektor 15 gemessene Intensität stellt daher Daten bereit, mit denen eine Korrektur zur Fensterverschmutzung durchgeführt werden kann. In der Anordnung nach 7 wird der Draht oder die Kugel auch eine Erfassung des schwenkbaren kollimierten Strahls 5 zur Verfügung stellen. Solange der Draht oder die Kugel eine Teil des Fensters 40 verdeckt wird der Draht oder die Kugel hinreichend klein ausgeführt, sodass die Verluste von gestreutem und fluoresziertem Licht von der Probe 6, welches an dem Hauptdetektor 15 empfangen wird, vernachlässigt werden können.
Die Erfindung kann auch in einer handgehaltenen Ausrüstung verwendet werden. Mit Bezug auf 9 ist das System als eine handgehaltene Einheit 45 aufgebaut, welche durch den an der Seite des Kanals 46 stehenden Anwendern auf die Probenoberfläche 6 gerichtet wird. Die optische Achse 47 der Strahlungsquelle und die optische Achse 48 des Detektors sind so angeordnet, dass sie sich bei einer Entfernung überschneiden, welche der Mittelwert der erwarteten Betriebsentfernung ist.
Mit Bezug auf 10 besitzt die handgehaltene Einheit eine durch einem starren Arm 2 mit einer Detektoreinheit 1 verbundenen Strahlungsquelleneinheit 3. Es ist zweckmäßig, dass der Arm 2 teleskopartig zusammenschiebbar oder zusammenklappbar ist, um eine Aufbewahrung und einen Transport in einer raumsparenden Gestalt zu ermöglichen. Die Linse 14 fokussiert die am Detektor 15 empfangene Strahlung, welcher ein positionsempfindliches Gerät oder eine Feld von Detektoren ist. Durch Triangulation kann die Entfernung zur Probenoberfläche von der Position des Bildes der Strahlungsquelle auf der Probenoberfläche, welches sich seitwärts über den Detektor 15 bewegt, wenn sich der Abstand zur Probe ändert, abgeleitet werden. Um genaue Messungen der Probeneigenschaften durchführen zu können, ist es notwendig, den von dem Quellenstrahl 47 und der Probenoberfläche aufgespannten Winkel zu kennen. Das System schließt daher einen Neigungsmesser ein, welcher mit der Strahlungsquelle und dem Detektor an einem ebenfalls in dem handgehaltenen System enthaltenen Computer angeschlossen ist.
Die in allen Beispielen aufgeführte Linse 14 kann beispielsweise eine Linse mit festem Fokus sein. Bei großen Entfernungen von dem Probenniveau kann es notwendig sein, die Linse mit festem Fokus durch eine Linse mit computerkontrolliertem variablem Fokus oder ein in sich geschlossenes automatisches Fokussystem zu ersetzen.
Die vorliegende Erfindung kann für eine Reihe von möglichen Messungen verwendet werden. Ein Beispiel ist die Messung der umweltschädlichen Belastung von Abwasser. Bei dieser Anwendung werden zwei Strahlungsquellen benutzt: Die erste bei einer roten oder infraroten Wellenlänge im Bereich von 670 bis 880 Nanometer und die zweite im weiten Blauen oder nahen Ultravioletten im Bereich von 360 bis 410 Nanometer. Unter Verwendung dieser Strahlungsquellen werden drei Messungen mit der Detektoreinheit durchgeführt: Die Streustrahlung im Blauen/nahen Ultravioletten, die Streustrahlung im Roten/nahen Infraroten und die Fluoreszenz der Probe mit Benutzung der blauen/nahen ultravioletten Strahlung zur Anregung und Messung der Emission im Wellenlängenbereich von 570 bis 630 Nanometern. Es hat sich herausgestellt, dass für viele Abwasserproben ein Zusammenhang zwischen den suspendierten Feststoffen der Probe und der linearen Summe der roten/infraroten Streustrahlung (IR Streuung) und der blauen/nahen ultravioletten Streustrahlung (UV Streuung) in folgender Form besteht: Suspendierte Feststoffe = a1 × (IR Streuung) + b1 × (UV Streuung) + c1
Dabei sind a₁, b₁, und c₁ Konstanten, welche für ein gegebenes Abwasser bestimmt werden müssen.
Es hat sich ebenfalls herausgestellt, dass für viele Abwässer ein Zusammenhang zwischen dem BOD und dem COD einer Probe und der linearen Summe der roten/infraroten Streustrahlung (IR Streuung), der blauen/nahen ultravioletten Streustrahlung (UV Streuung) und der Fluoreszenz der Probe unter Nutzung der blauen/nahen ultravioletten Strahlung als Anregung und Messung der Emission im Bereich von 570 bis 630 Nanometern (UV-rot Fluoreszenz) der folgenden Form besteht: BOD = a2 × (IR Streuung) + b2 × (UV Streuung) + c2 × (UV-rot Fluoreszenz) + d2 COD = a3 × (IR Streuung) + b3 × (UV Streuung) + c3 × (UV-rot Fluoreszenz) + d3
Dabei sind a₂, b₂, c₂, a₃, b₃, und c₃ Konstanten, welche für ein gegebenes Abwasser bestimmt werden müssen.
Für manche Abwässer kann es vorteilhaft sein, nichtlineare Terme zu diesen Ausdrücken für die suspendierten Feststoffe, den BOD und den COD hinzuzufügen.
Ferner hat sich herausgestellt, dass für Abwasser von ähnlicher Herkunft die Konstanten in den Ausdrücken für die suspendierten Feststoffe, den BOD und den COD sehr nahe beieinander liegen und daher die Verwendung von Standardkalibrierungen erlauben. Es können dann Proben zur Analyse vorgenommen werden und diese zum Abgleich der Werte der Standardkonstanten verwendet werden.
Die Größe des suspendierten Materials und seine Qualität werden durch die Flussgeschwindigkeit beeinflusst. Wo die vorliegende Erfindung eine Messung der Flussgeschwindigkeit einschließt oder wo diese als eine Eingabe für den Systemcomputer erhältlich ist, kann diese zu den obigen Korrelationsausdrücken hinzugefügt werden, um eine verbesserte Abschätzung der Verschmutzungsparameter zu erhalten.
Manche Anwendungen erzeugen störend hohe Werte bei den Streu- und Fluoreszenzdaten, die beispielsweise durch große Wellen, Schaum und stark reflektierende schwimmende Objekte verursacht werden. Die Daten können durch Entfernen dieser störenden Datenwerte geglättet werden, zum Beispiel durch Nutzung eines Mittelwertfilters.
Es ist zur Kenntnis zu nehmen, dass die oben beschriebene Erfindung innerhalb des Umfangs der anhängenden Ansprüche modifiziert werden kann.

Claims

Eine Vorrichtung (1) zur Überwachung einer oder mehrerer Eigenschaften einer flüssigen Probe, umfassend mindestens eine Quelle (3) von kollimierter Strahlung und mindestens einen Detektor (15), geeignet zur Detektion von Strahlung, welche von der Probe zurückkehrt, worin die optische Achse der Strahlenquelle oder der Strahlenquellen und die optische Achse des Detektors oder der Detektoren nicht parallel sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung weiter Mittel zur Korrektur von Änderungen in der Intensität der von dem oder jedem Detektor empfangenen Strahlung umfasst, welche durch Variationen in der Entfernung der Einrichtung von der Probenoberfläche und durch Variationen in dem Einfalls- und Streuwinkel der kollimierten Strahlung verursacht werden, wodurch die oder jede Eigenschaft der Flüssigkeit sogar bei einer Änderung des Probenniveaus weiterhin überwacht werden kann.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend mindestens zwei Quellen kollimierte Strahlung, welche Seite an Seite oder auf einer gewöhnlichen optischen Achse angeordnet sind.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, umfassend mindestens zwei Strahlungsdetektoren, welche Seite an Seite oder auf einer gewöhnlichen optischen Achse angeordnet sind.
Eine Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, worin die oder jede Quelle kollimierter Strahlung ein Laser ist.
Eine Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, weiter Mittel umfassend, welche es ermöglichen, die Vorrichtung mit der Hand zu halten, wodurch die Vorrichtung tragbar ist und zum handgehaltenen Betrieb verwendet werden kann.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 5, weiter umfassend Mittel zur Messung der Entfernung von der Vorrichtung zu der Probenoberfläche und worin die Mittel zur Entfernungsmessung vorzugsweise ein positionsempfindlicher Detektor sind.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 6, weiter ein Inklinometer umfassend.
Eine Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, worin die Strahlungsquelle drehbar und steuerbar ist, sodass die Wechselwirkung zwischen Strahlung und Probe in oder nahe der optischen Achse des Strahlungsdetektors auftritt.
Eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin der Winkel zwischen der Achse der kollimierten Strahlung und der optischen Achse des Detektors von der Einrichtung unter Verwendung eines Spiegels an einer motorisiert drehenden Welle gesteuert wird, sodass die Wechselwirkung zwischen Strahlung und Probe in oder nahe der optischen Achse des Strahlungsdetektors auftritt.
Eine Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, worin der Detektor aus einer linearen Anordnung von Detektoren oder einem einzelnen positionsempfindlichen Detektor besteht, sodass sich beim Ändern des Niveaus das Bild des Bereichs der Wechselwirkung der Quellenstrahlung und der Probe seitwärts über den Detektor bewegt.
Eine Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, worin die Strahlungsquelle und der Strahlungsdetektor zusammen auf einem Schwimmkörper (22) befestigt werden, welcher an einem oder mehreren Schwingarmen oder Halteseilen (23) frei beweglich ist zur Aufrechterhaltung einer konstanten Entfernung zwischen der Strahlungsquelle, der Strahlungsdetektoren und der Probenoberfläche.
Eine Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, weiter umfassend Mittel zur Messung von Verlusten quer durch die optischen Fenster der Vorrichtung.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 12, worin die Mittel zur Messung der Verluste quer durch die optischen Fenster ein Detektorfenster einschließen, welches so angeordnet ist, dass kollimierte Strahlung direkt und ohne eine Wechselwirkung mit der Probe von der Strahlungsquelle durch das Fenster der Strahlungsquelle und das optische Fenster des Detektors geführt werden kann.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend ein Strahlungsquellengehäuse enthaltend die oder jede Strahlungsquelle (3), ein Detektorgehäuse enthaltend den oder jeden Detektor (15), und eine Linse (14), so angeordnet, dass Strahlung von der oder jeder Strahlungsquelle durch die Linse treten muss, um den oder jeden Detektor zu erreichen, eine Halterung (2) zum Halten des Detektorgehäuses und des Strahlungsquellengehäuses, und Steuerungsmittel (16) zur Steuerung der oder jeder Strahlungsquelle und dem oder jedem Detektor.
Ein Verfahren zur Bestimmung der Verschmutzungseigenschaften einer wässrigen Probe mit Nutzung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren umfasst: Lenken eines Strahls von kollimierter Strahlung von einer Quelle kollimierter Strahlung der Vorrichtung auf die wässrige Probe, Detektieren der von der Probe zurückkehrenden Strahlung unter Verwendung eines Detektors der Vorrichtung und Verarbeiten der vom Detektor empfangenen Daten.
Ein Verfahren nach Anspruch 15, worin die wässrige Probe einen Abwasserstrom umfasst, welcher in einem offenen Kanal fließt.
Ein Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, worin der Gehalt an suspendierten Feststoffen in der wässrigen Probe aus Messungen von gestreuter Strahlung bei einer oder mehrerer Wellenlängen gefolgert wird.
Ein Verfahren nach Anspruch 15, 16 oder 17, worin Messungen der Fluoreszenz unter Verwendung von Anregung im Bereich von 360–410 Nanometern und von Emission im Bereich von 570–630 Nanometern zum Folgern der organischen Belastung benutzt werden, welche als biochemischer Sauerstoffbedarf oder als chemischer Sauerstoffbedarf ausgedrückt werden können.