WO1995015487A1 - Method and device for the analysis of water or soil - Google Patents

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WO1995015487A1
WO1995015487A1 PCT/DE1994/001433 DE9401433W WO9515487A1 WO 1995015487 A1 WO1995015487 A1 WO 1995015487A1 DE 9401433 W DE9401433 W DE 9401433W WO 9515487 A1 WO9515487 A1 WO 9515487A1
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WO
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laser
landfill
analysis
fiber
spectrum
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PCT/DE1994/001433
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Inventor
Reinhard Niessner
Thomas Baumann
Ulrich Panne
Frank Lewitzka
Helmut Heel
Original Assignee
Cosmos Messtechnik Gmbh
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Publication date
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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6408Fluorescence; Phosphorescence with measurement of decay time, time resolved fluorescence
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M3/00Investigating fluid-tightness of structures
    • G01M3/38Investigating fluid-tightness of structures by using light

Definitions

  • the present invention relates to a device for water or soil analysis, the presence or concentration of at least one substance being measured.
  • the soil analyzes relate in particular to landfills, such as residues and / or special waste landfills, the permeability of which is intended to be monitored or analyzed for pollutants.
  • the substances to be analyzed are in particular mineral oil products and the polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) contained therein.
  • the spread of pollutants within the aquifer must be particularly avoided. If the pollutants are only inside the aquifer, remedial measures are only time and cost intensive, apart from the fact that the biosphere suffers from the pollutants until remediation. In addition, a further spread of the pollutants that are not covered by the remediation can take place in the aquifer. These pollutants can e.g. endanger or impair the groundwater supply.
  • control systems mentioned consist of a control drainage (gravel drainage / drainage fleece) located between natural (conventional) and artificial base seal, which collects the seepage water accumulating under the seal and feeds it to the seepage water collector, or the leakage water accumulation via leakage warning devices reports
  • a control drainage gravel drainage / drainage fleece
  • natural (conventional) and artificial base seal which collects the seepage water accumulating under the seal and feeds it to the seepage water collector, or the leakage water accumulation via leakage warning devices reports
  • control and monitoring systems mentioned above have in common that the detection of a penetration of pollutants by the seal takes place only after the passage of the sealing system.
  • Other control systems are based on the measurement of the specific electrical resistance or the intrinsic potential in or below the mineral seal, which changes in the event of a leak (Dewiera L., Ledoux, E. and Marsily, G. de: Estonation and detection of leaks beneath landfills.
  • the invention is based on the object of providing a method and a device for water or soil analysis, the disadvantages mentioned above being avoided and which also enabling individual components to be analyzed on site as early and as precisely as possible.
  • the method and the device according to the invention are preferably based on time-resolved laser-induced fluorescence spectroscopy. This procedure allows even low concentrations (down to to ng / 1) of pollutants can be determined quickly and accurately.
  • the light for the excitation of the fluorophores is preferably generated by a pulsed laser, a modulated laser or by a laser coupled to a dye laser, whereby measurements can also be carried out at several wavelengths.
  • the emitted laser is further preferably coupled into an optical system, preferably into optical fibers, such as a multimode quartz fiber with a step index, and directed to a sensor head.
  • the emitted light is further preferably led via the multimode quartz fiber with a step index to a box car integrator or to an optical multi-channel analyzer and preferably to a monochromator, photomultiplier and a digital storage oscilloscope.
  • the spectrum is recorded there preferably over time and over the wavelength, and is preferably evaluated by means of a factor analysis.
  • the time-resolved, multidimensional fluorescence spectrum of the pore or leachate is measured when using the method according to the invention or the device according to the invention in a landfill within the landfill seal on site, with the fluorescence spectrum of the leachate at least compared to another measuring point within the landfill and used as an indicator for the transport of water and / or pollutants.
  • a plurality of fiber-optic sensors are preferably arranged at characteristic and / or endangered points on the landfill seal, such as, for example, low points of the seal, seams of plastic sheets in the case of combination seals or passages of pipes or shafts through the landfill seal.
  • the sensors are further preferably placed at different depths within the landfill seal and are preferably linked by a multiplexer to form a sensor network.
  • fluorescence spectroscopy artificial, the pollutants, if necessary, in the absence of sufficient, detectable amounts of fluorescent pollutants in the leachate simulating fluorescent dyes, for example, the landfill content, such as the garbage, added or applied to this.
  • Fluorescent dyes eg uranine which are chemically stable and have similar physical / chemical properties to the pollutants to be measured are preferred. Due to the similarity of the physico-chemical properties, these simulate the pollutants.
  • the functionality, in particular of a landfill seal, can thus also be monitored with regard to non-fluorescent pollutant groups. This enables spatial and temporal monitoring of the landfill seal.
  • the sensor fibers are led from the landfill to an evaluation device, on which the further structure, in particular consisting of the laser and the detector module, is located.
  • the further structure in particular consisting of the laser and the detector module.
  • the invention can also be used generally for the analysis of water and / or soil, as required.
  • the substances to be analyzed are in particular mineral oil products and the polycyclic aromatic hydrocarbons contained therein or also other substances and / or gases to be measured.
  • a neural network can be used for signal processing in the evaluation by means of appropriate software for the signals received by the sensors.
  • Such an evaluation method is described, for example, in Knorr, FJ and Harris, JM, Analytical Chemistry 1981, vol. 53, p. 272.
  • the neural network is trained (the weighting factors adapted) until the desired result is obtained for each parameter set is achieved or the error becomes minimal.
  • meaningful results are then achieved even with new input data.
  • the raw data of, for example, 50 measuring points on the spectral axis and 500 measuring points on the time axis are recorded, resulting in a total of 25,000 measured values.
  • the raw data of the time-resolved spectrum cannot be used as input data.
  • This raw data matrix is therefore particularly preferably subjected to a factor analysis which breaks down the two-dimensional data set into a set (typically 3) of orthogonal vectors, spectra and decay curves. This results in a number (typically three) of spectra and associated time constants. Exponential decay curves, which are folded with the impulse response of the detection system, are assumed. As a result, the description of a decay curve is reduced to a single number, the time constants.
  • This preferred iterative method minimizes the error square sum in order to adapt the model data matrix to the raw data matrix.
  • the stability of the adaptation is preferably increased if the permitted range of the permitted time constants is restricted.
  • the spectra can still be subjected to a suitable transformation (Fourier or Hadamard).
  • This combination of data reduction and use of neural networks is considered to be flexible enough to be able to be adapted to all areas of application.
  • the starting parameters for the neural network can also be a total PAH concentration or, as in the case of the landfill, the concentration of the fluorescent markers.
  • Another possibility is the integration of further measuring probes in the sensor system. The additional measurement of pH, electrical conductivity, oxygen content, temperature and possibly optical parameters such as light absorption and scattering are considered here. Since these parameters either directly or indirectly influence the fluorescence signal of the substances to be analyzed or of the natural fluorophores, their measurement and consideration in the evaluation by the neural network can improve the accuracy of the sensor system.
  • the results of the factor analysis, spectral information and time constants serve as input parameters for the preferred neural network.
  • the output parameters depend on the planned application. For water monitoring, e.g. prefers a purely qualitative analysis, such as a simple YES / NO answer, which indicates that a limit value has been exceeded. In other cases, an indication of the quantitative pollutant concentration is preferred and / or an identification of the various substances determined, such as different types of oil. Training of the neural network with measurement data from real samples is particularly preferred.
  • a function and performance control can preferably be provided in which the Raman scattered light signal of the water is evaluated.
  • FIG. 1 shows a preferred sensor head for the method according to the invention and the device according to the invention, which can be guided to the measuring location in a preferred guide tube shown,
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of spectra measured as examples in a landfill leachate collector as a reference signal and comparison spectra measured in a pore water of the landfill seal.
  • the sensor head A shown in FIG. 1 preferably has an excitation fiber 1 and an observation fiber 2, both of which preferably consist of quartz and converge towards one another towards the free end of the sensor or are arranged at an angle.
  • the angle between the excitation fiber 1 and the observation fiber 2 is particularly preferably between 10 ° -20 ° and preferably about 14 °.
  • the laser pulse which is preferably emitted by the preferred laser module shown in FIG. 2 is conducted into the sensor head via the excitation fiber 1.
  • the emitted fluorescence spectrum is guided to the detector module, for example according to FIG. 3, via the observation fiber 2.
  • the sensor head A can be positioned with a guide tube B at a desired location, for example in the landfill area.
  • the guide tube B serves to mechanically protect the sensor head A and is connected to the sensor head A before the measurement. In addition, it causes an increase in the weight, which is desirable for lowering the probe into a borehole.
  • the sensor heads alternatively consist of one part. In particular, mechanical protection of the fibers in the sensor head is desired. Radial bores are preferably provided in the guide tube for screwing in anchoring elements.
  • FIG. 2 shows a preferred laser module.
  • a pulsed nitrogen laser 3 is particularly preferably provided, which particularly preferably delivers a laser beam with a wavelength ⁇ of approximately 337 nm.
  • a repetition rate of the nitrogen laser 3 of particularly preferably approximately 15 Hz and an average pulse energy of approximately 1 mJ are provided.
  • the temporal half-value width of the symmetrical pulse is approximately 0.6 ns ⁇ 0.1 ns.
  • the laser is focused on the excitation fiber 1 using a focusing device 4, such as a quartz lens 4.
  • a part of the primary beam is particularly preferably directed to a further quartz fiber 1 a via two beam splitters 5, 6 arranged at right angles to trigger the detector and connected to a trigger unit 7, such as a photodiode.
  • a fiber position D is preferably adjustable.
  • the deflected light of the first beam splitter 5 is preferably focused with a further focusing device 4a, such as a plano-convex quartz lens 4a, to form a preferably arranged pyroelectric energy measuring head 8.
  • An integrator circuit can thus preferably provide a signal for energy normalization for the detector.
  • the excitation fiber 1 and the probe A arranged thereon which is particularly preferably a fiber-optic probe A, can be moved via a preferably provided xy measurement displacement C and if necessary, provided deflection and guide devices are repositioned.
  • the observation fiber 2 runs from the fiber optic probe A via similar devices to the detector module.
  • the detector module is shown in FIG. 3.
  • the observation fiber 2 is preferably arranged on a fiber holder 9, which is more preferably connected via an x-y fiber bundle coupling 9a and a fiber bundle 11 for cross-sectional conversion to the input slit of a spectrograph 10 of the detector module.
  • the observation fiber 2 is preferably connected directly to a circular end of the cross-sectional converter 11.
  • the observation fiber 2 from the x-y fiber bundle coupling 9a to the input slit of the spectrograph 10 is preferably 1.50 m long.
  • Several reflector and lens devices and a triple grating 10a are present in the spectrograph.
  • An optical multichannel analyzer 12 is preferably arranged in the focal plane of the spectrograph 10 and has a preferably red-sensitive photodiode array with an image intensifier.
  • the photodiode array is further preferably provided with a "gateable” and “proximity-used” image intensifier (MCP, microchannel plate).
  • MCP image intensifier
  • the time resolution is preferably achieved with a high-voltage pulse that opens the MCP for preferably 5 to 6 ns.
  • a preferred trigger signal for the high-voltage pulse is generated via an HV pulse generator, which is preferably controlled by a digital delay generator or delay generator 13.
  • the delay generator preferably provides variable length delay times for triggering the HV pulse of the MCP relative to the laser pulse in variable step sizes.
  • the time axis is preferably scanned sequentially.
  • the reading process of the diode array is preferably also synchronized via the HV pulse generator and is therefore directly related to drawing to the time base generated by the delay generator.
  • the multi-channel analyzer 12 preferably supplies a signal to an evaluating computer E which, according to its programming, evaluates the signals and delivers a qualitative and / or quantitative result.
  • FIG. 4 illustrates a measurement setup within a mineral landfill seal if the method according to the invention or the device according to the invention is used to monitor or control a landfill.
  • the sensors A are installed at different depths within a mineral seal 15, preferably below a leachate line, on the edge wall and / or in the landfill area.
  • Reference probes 16 are located in the leachate pipe. If the leachate drainage fails, an accumulation of leachate near the low points and thus accelerated transport through the base seal can be expected.
  • the basis of the evaluation strategy pursued is preferably the reduction of a time-resolved emission spectrum to the underlying factors, such as preferably the emission spectra and decay curves of the fluorophores involved.
  • the dispersion of the spectrum within the fiber is preferably compensated for by means of preferably two reference spectra.
  • the spectra along the wavelength axis are processed with a FIR filter and artifacts due to cosmic rays or incorrect discharges of the laser along the time axis are eliminated with a spike filter based on the spline interpolation.
  • the number of components that vary independently of one another is then preferably determined using a rank analysis.
  • the time-resolved spectrum can finally, according to the complexity and quality of the data or the requirements of the user, either by means of factor analysis or alternatively by a Rank annihilation factor analysis (RAFA) can be broken down into the characteristic spectral and temporal components of the components.
  • RAFA Rank annihilation factor analysis
  • a gradual penetration of pollutants in the landfill seal is indicated by the increasing similarity of the three-dimensional spectra (wavelength x time x intensity) of the reference probe and the probes within the base seal. In this case, slight deviations in the spectra occur, which are caused by the chromatographic separation of the complex leachate into individual pollutant groups. This fact is shown in FIG. 5.
  • a sudden failure of the landfill seal is manifested in a sudden change in the measured spectra and almost identical spectra of sensor A within the seal and the reference sensors 16.

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Abstract

The invention enables water or soil to be analysed rapidly and accurately on site for monitoring or control purposes. The presence or concentration of at least one chemical substance is determined by spectroscopic means. In the preferred embodiment, a laser pulse from a laser (3) is passed along a feed fibre (1) to a probe (A) and the fluorescence spectrum emitted in the vicinity of the probe is transmitted along a viewing fibre (2) to a detector module. Also in the preferred embodiment, an energy-normalisation signal is generated for the detector by an integrator circuit.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Wasser- bzw. Bodenanalyse Method and device for water and soil analysis
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Was¬ ser- bzw. Bodenanalyse, wobei das Vorhandensein bzw. die Konzentration mindestens einer Substanz gemessen wird. Die Bodenanalysen betreffen insbesondere Deponien, wie Rest- stoff- und/oder Sonderabfalldeponien, wobei deren Durchläs¬ sigkeit für Schadstoffe überwacht bzw. analysiert werden soll. Bei der allgemeinen Anwendung der Erfindung im Bereich der Wasserüberwachung und Bodenanalyse sind die zu analysie¬ renden Substanzen insbesondere Mineralölprodukte und die darin enthaltenen polyzyklischen aromatischen Kohlenwasser¬ stoffe (PAK) .The present invention relates to a device for water or soil analysis, the presence or concentration of at least one substance being measured. The soil analyzes relate in particular to landfills, such as residues and / or special waste landfills, the permeability of which is intended to be monitored or analyzed for pollutants. In the general application of the invention in the field of water monitoring and soil analysis, the substances to be analyzed are in particular mineral oil products and the polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) contained therein.
Grundsätzlich ist es wünschenswert, schädliche Umweltein¬ flüsse im Wasser, wie im Oberflächenwasser, und im Boden zu vermeiden bzw. sie gegebenenfalls möglichst frühzeitig zu erkennen. Insbesondere bei der Abdichtung von Reststoff- und/oder Sonderabfalldeponien soll ein Kontakt der abgela¬ gerten Stoffe mit der Umgebung, wie umgebendes Wasser, umge¬ bender Boden und die Umgebungsluft langfristig verhindert werden. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf den unmittel¬ bar vom Menschen genutzten Ressourcen, vor allem auf dem Schutz des Wassers und/oder Grundwassers.In principle, it is desirable to avoid harmful environmental influences in the water, such as in surface water, and in the soil, or to identify them as early as possible. In particular when sealing residues and / or hazardous waste landfills, long-term contact of the deposited substances with the environment, such as surrounding water, surrounding soil and the ambient air, is to be prevented. Particular attention is paid here to the resources used directly by humans, especially to the protection of water and / or groundwater.
Beispiele aus der jüngeren Vergangenheit lehren jedoch, daß bei herkömmlichen Abdichtungssystemen ein Austreten von Schadstoffen in die Biosphäre stattfinden kann. Je früher diese Leckage - ein punktuelles oder flächiges Versagen der Abdichtung - bzw. die kontinuierliche Penetration einzelner Schadstoffe bzw. Schadstoffgruppen durch das Abdichtungs- system erkannt werden können, desto wirksamer und günstiger ist eine Sanierung möglich.However, recent examples teach that pollutants can leak into the biosphere with conventional sealing systems. The earlier this leakage - a punctual or extensive failure of the seal - or the continuous penetration of individual pollutants or groups of pollutants through the sealing system can be recognized, the more effectively and cheaply a renovation is possible.
Besonders zu vermeiden ist bei einer Leckage die Verbreitung von Schadstoffen innerhalb des Grundwasserleiters. Befinden sich die Schadstoffe erst innerhalb des Grundwasserleiters sind Sanierungsmaßnahmen nur noch zeit- und kostenintensiv durchzuführen, abgesehen davon, daß die Biosphäre bis zur Sanierung unter den Schadstoffen leidet. Daneben kann eine weitere Verbreitung der Schadstoffe, die nicht von der Sa¬ nierung erfaßt werden, im Grundwasserleiter stattfinden. Diese Schadstoffe können z.B. die Grundwasserversorgung ge¬ fährden oder beeinträchtigen.In the event of a leak, the spread of pollutants within the aquifer must be particularly avoided. If the pollutants are only inside the aquifer, remedial measures are only time and cost intensive, apart from the fact that the biosphere suffers from the pollutants until remediation. In addition, a further spread of the pollutants that are not covered by the remediation can take place in the aquifer. These pollutants can e.g. endanger or impair the groundwater supply.
Üblicherweise wird die Sicherheit einer Deponiebasisabdich¬ tung anhand von bodenmechanischen Standardversuchen nachge¬ wiesen. Zu diesen zählen die bekannten Durchlässigkeitsver¬ suche (DIN 18130 T 1: Bestimmung des Wasserdurchlässigkeits- beiwerts, Beuth, Berlin/Köln 1989) , aber auch die Diffu¬ sions- und Adsorptionsversuche, die bislang jedoch nur im Labormaßstab durchgeführt wurden (Göttner, J.-J. u. Schnei¬ der, W. : Experimetelle Bestimmung und Relevanz von wirklich¬ keitsgetreuen Kenndaten des Stofftransportes durch minerali¬ sche Abdichtungen. In: Jessberger, H. L. (Hrsg.) : Neuzeitli¬ che Deponietechnik - Berichte vom 2. Bochumer Deponiesemi¬ nar, 209-222 (1990) ; Schneider, W. u. Göttner, J.-J. : Schadstofftransport in mineralischen Deponieabdichtungen und natürlichen Tonschichten. Geol. Jahrb. Reihe C 58, 1-132 (1991) ; Simons, H. u. Reuter, E. : Entwicklung von Prüfver¬ fahren und Regeln zur Herstellung von Deponieabdichtungen aus Ton zum Schutz des Grundwassers. Mitt . Inst. Grundb. Bo- denmech. 18, 1-228 (1985); Finsterwalder, K. u. Mann, U. : Stofftransport durch mineralische Abdichtungen. In: Jessberger, H.L. (Hrsg.) : Neuzeitliche Deponietechnik - Be¬ richte vom 2. Bochumer Deponieseminar, 209-222 (1990) ; Klotz, D. : Laborversuche mit bindigen Materialien zur Be¬ stimmung der hydraulischen Kenngrößen und der Sorptions- eigenschaften ausgewählter Schadstoffe. Z. dt. geol . Ges. 141, 255-262 (1990) ; Mott, H. V. u. Weber, W.J., Jr. : Factors influencing organic contaminant diffusivities in soil-bentonite cutoff barriers . Environ. Sei. Technol . 25, 1708-1715 (1991) ) .The safety of a landfill base seal is usually demonstrated on the basis of standard soil mechanical tests. These include the well-known permeability tests (DIN 18130 T 1: determination of the water permeability coefficient, Beuth, Berlin / Cologne 1989), but also the diffusion and adsorption tests, which have so far only been carried out on a laboratory scale (Göttner, J . -J. And Schnei¬ der, W.: Experimental determination and relevance of true-to-reality characteristics of mass transport through mineral seals. In: Jessberger, HL (ed.): Modern landfill technology - reports from the 2nd Bochum Deponiesemi¬ nar, 209-222 (1990); Schneider, W. and Göttner, J.-J.: Pollutant transport in mineral landfill seals and natural clay layers. Geol. Jahrb. Series C 58, 1-132 (1991); Simons, H. and Reuter, E.: Development of test methods and rules for the production of landfill seals made of clay to protect groundwater, Mitt. Inst. Grundb. Bodenmech. 18, 1-228 (1985); Finsterwalder, K. u. Mann, U.: Mass transport through mineral Abdi In: Jessberger, HL (ed.): Modern landfill technology - reports from the 2nd Bochum landfill seminar, 209-222 (1990); Klotz, D.: Laboratory tests with cohesive materials to determine the hydraulic parameters and the sorption properties of selected pollutants. Currently German geol. Ges. 141, 255-262 (1990); Mott, HV u. Weber, WJ, Jr.: Factors influencing organic contaminant diffusivities in soil-bentonite cutoff barriers. Environ. Be. Technol. 25: 1708-1715 (1991)).
Abgesehen von der Überwachung des Deponieumfelds im Zuge der Beweissicherung - hier sind vor allem regelmäßige Untersu¬ chungen der chemischen Qualität des Grundwassers zu nennen - werden regelrechte KontrollSysteme bei Siedlungsabfalldepo¬ nien erst seit kurzer Zeit eingesetzt. Für Sonderabfalldepo¬ nien werden kontrollierbare Dichtungssysteme in den USA seit 1985 gefordert (US EPA: Covers for Uncontrolled Hazardous Waste Sites, US EPA, Office of Emergency and Remedial Response, EPA/540/2-85/002; Washington D.C. (1985)) . Auch bei Neuentwicklungen auf dem Gebiet der Deponietechnik (Düllmann, H. : Langzeitverhalten von Deponieabdichtungen - Bericht über die Freilegung von Versuchsfeldern auf der De¬ ponie Goldern-Pont. Veröff. Grundbauinst . LGA Bayern 51, 27- 63 (1988) ; Schevon, G.R. u. Da as, G. : Using double liners in landfill design and Operation. Waste Manage. Res. 4, 161- 176 (1986) ; Finsterwalder, K. u. Beine, R. : Abdichtungs¬ systeme aus DYWIDAG-Mineralgemischen, Grundlagen und Erfah¬ rungen, Veröff. Grundbauinst. LGA Bayern 65, 157-182 (1992)) und bei fehlender geologischer Barriere werden in den letz¬ ten Jahren verstärkt Dichtungssysteme mit integrierten Kon¬ trollsystemen implementiert.Apart from the monitoring of the landfill environment in the course of the preservation of evidence - here, above all, regular examinations of the chemical quality of the groundwater are to be mentioned - regular control systems have been only recently used for municipal waste disposal sites. Controllable sealing systems in the United States have been required for hazardous waste disposal since 1985 (US EPA: Covers for Uncontrolled Hazardous Waste Sites, US EPA, Office of Emergency and Remedial Response, EPA / 540 / 2-85 / 002; Washington DC (1985)) . Also for new developments in the field of landfill technology (Düllmann, H.: Long-term behavior of landfill seals - report on the exposure of test fields on the Goldern-Pont landfill. Published by Grundbauinst. LGA Bayern 51, 27-63 (1988); Schevon, GR and Da as, G.: Using double liners in landfill design and operation. Waste Manage. Res. 4, 161-176 (1986); Finsterwalder, K. u. Legs, R.: Abdicht¬ systems from DYWIDAG mineral mixtures , Fundamentals and Experience, Published by Grundbauinst. LGA Bayern 65, 157-182 (1992)) and in the absence of a geological barrier, sealing systems with integrated control systems have been increasingly implemented in recent years.
In der Regel bestehen die genannten KontrollSysteme aus einer, zwischen natürlicher (konventioneller) und künstli¬ cher Basisdichtung befindlichen, Kontrolldrainage (Kiesdrai- nage/Dränvlies) , die das unter der Dichtung anfallende Sickerwasser sammelt und dem Sickerwassersammler zuführt, bzw. über Leckagewarneinrichtungen den Sickerwasseranfall meldet (Hodzic, A. : Planung eines integrierten Abfallverwer- tungs- und EntsorgungsZentrums (Landkreis Weilheim-Schon¬ gau) : In: (Hrsg.) : Tagungsunterlagen 3. Ausstellungskongress Abfallwirtschaft 25.-27.3.92 (1992) ; Hämmerle, E. : Umsetzung der TA Abfall im Deponiebau. Veröff. Grundbauinst. LGA Bayern 65, 253-270 (1992)) . Den obengenannten Kontroll- und Überwachungssystemen ist gemeinsam, daß die Detektion einer Penetration von Schadstoffen durch die Abdichtung erst nach der Passage des Dichtungssystems erfolgt. Andere Kontroll¬ systeme basieren auf der Messung des spezifischen elektri¬ schen Widerstandes bzw. des Eigenpotentials in oder unter¬ halb der mineralischen Dichtung, der sich bei einer Leckage verändert (Dewiera L., Ledoux, E. u. Marsily, G. de: Estima- tion and detection of leaks beneath landfills . In. Gronow, J.R. ; Schofield, A.N. u. Jain, R. K. (Hrsg.) : Land disposal of hazardous waste: Engineering and environmental issues, 69-83 (1988) ; Geutebrück, E. : Auffindung und Abgrenzung von Bodenkontaminationen nach der Eigenpotentialmethode. Erdöl, Erdgas, Kohle 108; 179-181 (1992)) .As a rule, the control systems mentioned consist of a control drainage (gravel drainage / drainage fleece) located between natural (conventional) and artificial base seal, which collects the seepage water accumulating under the seal and feeds it to the seepage water collector, or the leakage water accumulation via leakage warning devices reports (Hodzic, A.: Planning an integrated waste recycling and disposal center (Weilheim-Schongau district): In: (Ed.): Conference documents 3rd exhibition congress Waste Management March 25-27, 1992 (1992); Hämmerle, E.: Implementation of TA waste in landfill construction. Published foundation engineering LGA Bayern 65, 253-270 (1992)). The control and monitoring systems mentioned above have in common that the detection of a penetration of pollutants by the seal takes place only after the passage of the sealing system. Other control systems are based on the measurement of the specific electrical resistance or the intrinsic potential in or below the mineral seal, which changes in the event of a leak (Dewiera L., Ledoux, E. and Marsily, G. de: Estonation and detection of leaks beneath landfills. In. Gronow, JR; Schofield, AN and Jain, RK (ed.): Land disposal of hazardous waste: Engineering and environmental issues, 69-83 (1988); Geutebrück, E .: Detection and delimitation of soil contamination using the self-potential method. Petroleum, natural gas, coal 108; 179-181 (1992)).
Für den Fall der gesetzlich vorgeschriebenen Grundwassermeß- stellen ist zudem ein nennenswerter Schadstoffaustrag aus der Deponie erforderlich, da die austretenden Schadstoffe im Grundwasser stark verdünnt werden und so trotz hochsensiti¬ ver Analytik nur schwierig nachgewiesen werden können. Das¬ selbe trifft allgemein auf Wasser- bzw. Bodenanalysen zu.In the case of the legally prescribed groundwater measuring points, a noteworthy discharge of pollutants from the landfill is also necessary, since the emerging pollutants are greatly diluted in the groundwater and can therefore only be detected with difficulty despite highly sensitive analysis. The same applies generally to water and soil analyzes.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Wasser- bzw. Bodenanalyse bereitzu¬ stellen, wobei die zuvor genannten Nachteile vermieden wer¬ den und die eine möglichst frühzeitige und präzise Analyse auch von einzelnen Bestandteilen vor Ort ermöglichen.The invention is based on the object of providing a method and a device for water or soil analysis, the disadvantages mentioned above being avoided and which also enabling individual components to be analyzed on site as early and as precisely as possible.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren bzw. einer Vorrich¬ tung gemäß den Ansprüchen gelöst.This object is achieved with a method and a device according to the claims.
Vorzugsweise basieren das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung auf der zeitaufgelösten la¬ serinduzierten Fluoreszenzspektroskopie. Dieses Verfahren ermöglicht, daß selbst geringe Konzentrationen (bis hinunter zu ng/1) von Schadstoffen schnell und genau ermittelt werden können. Dabei wird das Licht für die Anregung der Fluoro- phore vorzugsweise durch einen gepulsten Laser, einen modu¬ lierten Laser bzw. durch einen mit einem Farbstofflaser ge¬ koppelten Laser erzeugt, wodurch auch bei mehreren Wellen¬ längen gemessen werden kann. Weiter bevorzugt wird der emit¬ tierte Laser durch ein optisches System vorzugsweise in Lichtleiterfasern eingekoppelt, wie z.B. eine Multimode- Quarzfaser mit Stufenindex, und zu einem Sensorkopf gelei¬ tet. Das emittierte Licht wird weiter vorzugsweise über die Multimode-Quarzfaser mit Stufenindex zu einem Boxcar-Inte¬ grator bzw. zu einem optischen Mehrkanalanalysator und be¬ vorzugt zu einem Monochromator, Photomultiplier und einem Digitalspeicher-Oszilloskop geführt . Es wird dort das Spektrum vorzugsweise über die Zeit und über die Wellenlänge aufgenommen, und vorzugsweise mittels einer Faktorenanalyse ausgewertet. Das zeitaufgelöste, multidimensionale Fluores¬ zenzspektrum des Poren- bzw. Sickerwassers wird bei der Ver¬ wendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung in einer Deponie innerhalb der De¬ ponieabdichtung vor Ort gemessen, mit dem Fluoreszenzspek¬ trum des Sickerwassers an mindestens einer anderen Meßstelle innerhalb der Deponie verglichen und als Indikator für den Transport von Wasser und/oder Schadstoffen benutzt.The method and the device according to the invention are preferably based on time-resolved laser-induced fluorescence spectroscopy. This procedure allows even low concentrations (down to to ng / 1) of pollutants can be determined quickly and accurately. The light for the excitation of the fluorophores is preferably generated by a pulsed laser, a modulated laser or by a laser coupled to a dye laser, whereby measurements can also be carried out at several wavelengths. The emitted laser is further preferably coupled into an optical system, preferably into optical fibers, such as a multimode quartz fiber with a step index, and directed to a sensor head. The emitted light is further preferably led via the multimode quartz fiber with a step index to a box car integrator or to an optical multi-channel analyzer and preferably to a monochromator, photomultiplier and a digital storage oscilloscope. The spectrum is recorded there preferably over time and over the wavelength, and is preferably evaluated by means of a factor analysis. The time-resolved, multidimensional fluorescence spectrum of the pore or leachate is measured when using the method according to the invention or the device according to the invention in a landfill within the landfill seal on site, with the fluorescence spectrum of the leachate at least compared to another measuring point within the landfill and used as an indicator for the transport of water and / or pollutants.
Dabei werden bevorzugt mehrere faseroptische Sensoren an charakteristischen und/oder gefährdeten Stellen der Depo¬ nieabdichtung, wie z.B. Tiefpunkte der Abdichtung, Nahtstel¬ len von Kunststof bahnen im Falle von Kombinationsdichtungen oder Durchtrittstellen von Rohren bzw. Schächten durch die Deponieabdichtung angeordnet. Weiter bevorzugt werden die Sensoren in unterschiedlichen Tiefen innerhalb der Depo¬ nieabdichtung plaziert und vorzugsweise durch einen Multi- plexer zu einem Sensornetz verknüpft. Bei der Verwendung der Fluoreszenzspektroskopie wird gegebenenfalls beim Fehlen hinreichender, detektierbarer Mengen an fluoreszierenden Schadstoffen im Sickerwasser, künstliche, die Schadstoffe simulierende Fluoreszenzfarbstoffe z.B. dem Deponieinhalt, wie dem Müll, beigegeben bzw. auf diesen aufgebracht. Dabei sind Fluoreszenzfarbstoffe (z.B. Uranin) bevorzugt, die che¬ misch stabil sind und ähnliche physikalisch/chemische Eigen¬ schaften wie die zu messenden Schadstoffe besitzen. Diese simulieren aufgrund der Ähnlichkeit der physikalisch-chemi¬ schen Eigenschaften die Schadstoffe. Damit kann die Funk¬ tionstüchtigkeit, insbesondere einer Deponieabdichtung auch im Hinblick auf nicht-fluoreszierende Schadstoffgruppen überwacht werden. Dies ermöglicht eine räumliche und zeitli¬ che Überwachung der Deponieabdichtung.In this case, a plurality of fiber-optic sensors are preferably arranged at characteristic and / or endangered points on the landfill seal, such as, for example, low points of the seal, seams of plastic sheets in the case of combination seals or passages of pipes or shafts through the landfill seal. The sensors are further preferably placed at different depths within the landfill seal and are preferably linked by a multiplexer to form a sensor network. When using fluorescence spectroscopy, artificial, the pollutants, if necessary, in the absence of sufficient, detectable amounts of fluorescent pollutants in the leachate simulating fluorescent dyes, for example, the landfill content, such as the garbage, added or applied to this. Fluorescent dyes (eg uranine) which are chemically stable and have similar physical / chemical properties to the pollutants to be measured are preferred. Due to the similarity of the physico-chemical properties, these simulate the pollutants. The functionality, in particular of a landfill seal, can thus also be monitored with regard to non-fluorescent pollutant groups. This enables spatial and temporal monitoring of the landfill seal.
Die Sensorfasern werden aus der Deponie zu einer Auswerte- einrichtung geführt, an dem sich der weitere Aufbau, insbe¬ sondere bestehend aus dem Laser- und dem Detektormodul, be¬ findet. Mit der Erfindung können, wie am Beispiel einer De¬ ponieabdichtung gezeigt, kostengünstig Oberflächenwasser und Boden überwacht bzw. kontrolliert bzw. analysiert werden. Die Erkennung selbst geringer Mengen von Kontaminanten z.B. beim Durchdringen der Deponieabdichtung, erfolgt in jedem Falle so rechtzeitig, daß ausreichend Zeit für Gegenmaßnah¬ men zur Behebung des Versagens der Dichtung ergriffen werden können und die Kontamination des Grundwassers bzw. nicht zum Deponiebauwerk gehöriger Sedimente abgewendet werden kann.The sensor fibers are led from the landfill to an evaluation device, on which the further structure, in particular consisting of the laser and the detector module, is located. With the invention, as shown in the example of a landfill seal, surface water and soil can be monitored, checked or analyzed cost-effectively. The detection of even small amounts of contaminants e.g. when penetrating the landfill seal, it is in any case timely that sufficient time can be taken for countermeasures to remedy the failure of the seal and the contamination of the groundwater or sediments not belonging to the landfill structure can be averted.
Wie bereits erwähnt, kann die Erfindung jedoch auch allge¬ mein, je nach Bedarf, für die Analyse von Wasser und/oder Boden verwendet werden. Die zu analysierenden Substanzen sind insbesondere Mineralölprodukte und die darin enthalte¬ nen polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe oder auch andere zu messenden Substanzen und/oder Gase.As already mentioned, however, the invention can also be used generally for the analysis of water and / or soil, as required. The substances to be analyzed are in particular mineral oil products and the polycyclic aromatic hydrocarbons contained therein or also other substances and / or gases to be measured.
Vorzugsweise kann bei der Auswertung mittels einer entspre¬ chenden Software der von den Sensoren erhaltenen Signale ein neuronales Netz bei der Signalverarbeitung verwendet werden. Ein derartiges Auswerteverfahren ist z.B. beschrieben in Knorr, F.J. and Harris, J.M. , Analytical Chemistry 1981, Bd. 53, S. 272. Mit Hilfe einer Vielzahl von Parametersätzen, bei denen das Ergebnis (der oder die Ausgabeparameter) be¬ kannt ist, wird das neuronale Netz trainiert (die Wichtungs- faktoren angepaßt) , bis zu jedem Parametersatz das ge¬ wünschte Ergebnis erzielt wird oder der Fehler minimal wird. Bei einem trainierten neuronalen Netz werden dann auch mit neuen Eingangsdaten sinnvolle Ergebnisse erzielt . Dabei wer¬ den die Rohdaten von z.B. 50 Meßpunkten auf der spektralen Achse und 500 Meßpunkte auf der Zeitachse aufgenommen, wo¬ durch sich 25 000 Meßwerte insgesamt ergeben. Als Eingangs¬ daten können die Rohdaten des zeitaufgelösten Spektrums auf¬ grund ihrer Menge nicht verwendet werden. Diese Rohdaten- matrix wird daher besonders bevorzugt einer Faktoranalyse unterzogen, die den zweidimensionalen Datensatz in einen Satz (typisch 3) orthogonaler Vektoren, Spektren und Ab¬ klingkurven zerlegt. Dadurch erhält man eine Anzahl (typi¬ scherweise drei) von Spektren und dazugehörigen Zeitkonstan¬ ten. Hierbei werden exponentielle Abklingkurven, die mit der Impulsantwort des Detektionssystems gefaltet werden, ange¬ nommen. Dadurch reduziert sich die Beschreibung einer Ab¬ klingkurve auf eine einzige Zahl, der Zeitkonstanten. Dieses bevorzugte iterative Verfahren minimiert die Fehlerqua¬ dratsumme, um die Modelldatenmatrix an die Rohdatenmatrix anzupassen. Die Stabilität der Anpassung wird vorzugsweise erhöht, wenn der erlaubte Bereich der erlaubten Zeitkonstan¬ ten eingeschränkt wird.Preferably, a neural network can be used for signal processing in the evaluation by means of appropriate software for the signals received by the sensors. Such an evaluation method is described, for example, in Knorr, FJ and Harris, JM, Analytical Chemistry 1981, vol. 53, p. 272. With the aid of a large number of parameter sets in which the result (the output parameter or the output parameters) is known, the neural network is trained (the weighting factors adapted) until the desired result is obtained for each parameter set is achieved or the error becomes minimal. In a trained neural network, meaningful results are then achieved even with new input data. The raw data of, for example, 50 measuring points on the spectral axis and 500 measuring points on the time axis are recorded, resulting in a total of 25,000 measured values. Because of their quantity, the raw data of the time-resolved spectrum cannot be used as input data. This raw data matrix is therefore particularly preferably subjected to a factor analysis which breaks down the two-dimensional data set into a set (typically 3) of orthogonal vectors, spectra and decay curves. This results in a number (typically three) of spectra and associated time constants. Exponential decay curves, which are folded with the impulse response of the detection system, are assumed. As a result, the description of a decay curve is reduced to a single number, the time constants. This preferred iterative method minimizes the error square sum in order to adapt the model data matrix to the raw data matrix. The stability of the adaptation is preferably increased if the permitted range of the permitted time constants is restricted.
Falls die Berücksichtigung der Spektren und Zeitkonstanten immer noch eine zu große Datenmenge für ein neuronales Netz darstellt, können die Spektren noch einer geeigneten Trans¬ formation (Fourier oder Hadamard) unterzogen werden. Diese Kombination von Datenreduktion und -Anwendung neuronaler Netze wird als flexibel genug angesehen, um an alle Anwen¬ dungsgebiete angepaßt werden zu können. D.h. Ausgangsparame- ter für das neuronale Netz kann dann auch eine PAK-Summen- konzentration oder, wie im Falle bei der Mülldeponie, die Konzentration der fluoreszierenden Markierungsstoffe sein. Eine weitere Möglichkeit ist die Integration weiterer Me߬ sonden in das Sensorsystem. Gedacht ist hier an die zusätz¬ liche Messung von pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit, Sauer- stoffgehalt, Temperatur und eventuell optische Parameter wie Lichtabsorption und Streuung. Da diese Parameter entweder direkt oder indirekt das Fluoreszenzsignal der zu analysie¬ renden Substanzen oder der natürlichen Fluorophore beein¬ flussen, kann deren Messung und Berücksichtigung bei der Auswertung durch das neuronale Netz die Genauigkeit des Sen¬ sorsystems verbessern.If the consideration of the spectra and time constants still represents an excessive amount of data for a neural network, the spectra can still be subjected to a suitable transformation (Fourier or Hadamard). This combination of data reduction and use of neural networks is considered to be flexible enough to be able to be adapted to all areas of application. This means that the starting parameters for the neural network can also be a total PAH concentration or, as in the case of the landfill, the concentration of the fluorescent markers. Another possibility is the integration of further measuring probes in the sensor system. The additional measurement of pH, electrical conductivity, oxygen content, temperature and possibly optical parameters such as light absorption and scattering are considered here. Since these parameters either directly or indirectly influence the fluorescence signal of the substances to be analyzed or of the natural fluorophores, their measurement and consideration in the evaluation by the neural network can improve the accuracy of the sensor system.
Die Ergebnisse der Faktorenanalyse, Spektralinformationen und Zeitkonstanten, dienen als Eingangsparameter für das be¬ vorzugte neuronale Netz. Die Ausgangsparameter hängen von der geplanten Anwendung ab. Für eine Wasserüberwachung ist z.B. eine rein qualitative Analyse, wie eine einfache JA/NEIN-Antwort, bevorzugt, die die Überschreitung eines Grenzwertes anzeigt. In anderen Fällen ist eine Angabe der quantitativen Schadstoffkonzentration bevorzugt und/oder eine Identifizierung der verschiedenen ermittelten Substan¬ zen, wie verschiedene Ölsorten. Besonders bevorzugt ist das Training des neuronalen Netzes mit Meßdaten von Realproben.The results of the factor analysis, spectral information and time constants serve as input parameters for the preferred neural network. The output parameters depend on the planned application. For water monitoring, e.g. prefers a purely qualitative analysis, such as a simple YES / NO answer, which indicates that a limit value has been exceeded. In other cases, an indication of the quantitative pollutant concentration is preferred and / or an identification of the various substances determined, such as different types of oil. Training of the neural network with measurement data from real samples is particularly preferred.
Außerdem kann bevorzugt eine Funktions- und Leistungskon¬ trolle vorgesehen sein, bei der das Raman-Streulichtsignal des Wassers ausgewertet wird.In addition, a function and performance control can preferably be provided in which the Raman scattered light signal of the water is evaluated.
Die Anwendungen der laserinduzierten, zeitaufgelösten Fluo¬ reszenzspektroskopie in der Umweltanalytik hat folgende Vor¬ teile:The use of laser-induced, time-resolved fluorescence spectroscopy in environmental analysis has the following advantages:
Sie ist äußerst empfindlich, sie arbeitet fast kontinuierlich, mit Hilfe von Lichtleiterfasern kann an beliebigen, auch schwer zugänglichen Meßstellen gemessen werden (siehe Ba¬ sisabdichtung Mülldeponie) , relativ zur Gesamtzahl der existierenden Substanzen ist die Zahl der fluoreszierenden Verbindungen gering und das Ver¬ fahren relativ selektiv, störende, ebenfalls fluoreszierende Substanzen können häufig aufgrund ihres schnelleren Fluoreszenzabklingverhaltens von den interessierenden PAK unterschieden werden.It is extremely sensitive, it works almost continuously, with the help of optical fibers it can be measured at any measuring point, even difficult to access (see basic sealing of a landfill), Relative to the total number of existing substances, the number of fluorescent compounds is low and the process is relatively selective. Interfering, also fluorescent substances can often be distinguished from the PAHs of interest due to their faster fluorescence decay behavior.
Die Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachstehend anhand von Beispielen und mit Bezug auf dieThe objects, advantages and features of the invention are set forth below by way of examples and with reference to the
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:Drawing explained in more detail. Show it:
Fig. 1 einen bevorzugten Sensorkopf für das erfindungsge¬ mäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrich¬ tung, der in einem bevorzugten dargestellten Füh¬ rungsrohr an den Meßort führbar ist,1 shows a preferred sensor head for the method according to the invention and the device according to the invention, which can be guided to the measuring location in a preferred guide tube shown,
Fig. 2 einen bevorzugten Aufbau eines Lasermoduls und eine bevorzugte erfindungsgemäße Vorrichtungsanordnung,2 shows a preferred construction of a laser module and a preferred device arrangement according to the invention,
Fig. 3 eine bevorzugtes Detektormodul,3 shows a preferred detector module,
Fig. 4 eine bevorzugte erfindungsgemäße Plazierung von Sen¬ soren in einer Deponiedichtung und4 shows a preferred placement of sensors according to the invention in a landfill seal and
Fig. 5 eine schematische Darstellung von beispielhaft in einem Deponiesickerwassersammler gemessenen Spektren als Referenzsignal und in einem Porenwasser der De¬ poniedichtung gemessenen Vergleichsspektren.5 shows a schematic illustration of spectra measured as examples in a landfill leachate collector as a reference signal and comparison spectra measured in a pore water of the landfill seal.
Der in Fig. 1 dargestellte Sensorkopf A weist vorzugsweise eine Anregungsfaser 1 und eine Beobachtungsfaser 2 auf, wo¬ bei beide bevorzugt aus Quarz bestehen und zum freien Ende des Sensors hin aufeinander zulaufen bzw. winkelig angeord¬ net sind. Besonders bevorzugt beträgt der Winkel zwischen der Anregungsfaser 1 und der Beobachtungsfaser 2 zwischen 10°-20° und vorzugsweise etwa 14°. Der vorzugsweise vom in der Figur 2 dargestellten bevorzugten Lasermodul ausgesandte Laserpuls wird über die Anregungsfaser 1 in den Sensorkopf geleitet . Über die Beobachtungsfaser 2 wird das emittierte Fluoreszenzspektrum zum Detektormodul, z.B. gemäß Fig. 3, geleitet. Der Sensorkopf A ist mit einem Führungsrohr B an einer ge¬ wünschten Stelle, z.B. im Deponiebereich, positionierbar. Das Führungsrohr B dient zuum mechanischen Schutz des Sen¬ sorkopfes A und wird vor der Messung mit dem Sensorkopf A verbunden. Darüber hinaus bewirkt es eine Erhöhung des Ge¬ wichts, was zum Absenken der Sonde in ein Bohrloch gewünscht ist. Die Sensorköpfe bestehen alternativ aus einem Teil. Er¬ wünscht ist insbesondere der mechanische Schutz der Fasern im Sensorkopf. In dem Führungsrohr sind bevorzugt zum Ein¬ schrauben von Verankerungselementen radiale Bohrungen vorge¬ sehen.The sensor head A shown in FIG. 1 preferably has an excitation fiber 1 and an observation fiber 2, both of which preferably consist of quartz and converge towards one another towards the free end of the sensor or are arranged at an angle. The angle between the excitation fiber 1 and the observation fiber 2 is particularly preferably between 10 ° -20 ° and preferably about 14 °. The laser pulse which is preferably emitted by the preferred laser module shown in FIG. 2 is conducted into the sensor head via the excitation fiber 1. The emitted fluorescence spectrum is guided to the detector module, for example according to FIG. 3, via the observation fiber 2. The sensor head A can be positioned with a guide tube B at a desired location, for example in the landfill area. The guide tube B serves to mechanically protect the sensor head A and is connected to the sensor head A before the measurement. In addition, it causes an increase in the weight, which is desirable for lowering the probe into a borehole. The sensor heads alternatively consist of one part. In particular, mechanical protection of the fibers in the sensor head is desired. Radial bores are preferably provided in the guide tube for screwing in anchoring elements.
Figur 2 zeigt ein bevorzugtes Lasermodul. Besonders bevor¬ zugt ist ein gepulster Stickstofflaser 3 vorgesehen, der be¬ sonders bevorzugt einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge λ von etwa 337 nm liefert. Dabei ist eine Wiederholrate des Stickstofflasers 3 von besonders bevorzugt etwa 15 Hz und eine mittlere Pulsenergie von etwa 1 mJ vorgesehen. Die zeitliche Halbwertsbreite des symmetrischen Pulses beträgt etwa 0,6 ns ± 0,1 ns. Der Laser wird mit einer Fokussierein- richtung 4, wie bevorzugt einer Quarzlinse 4, auf die Anre- gungsfaser 1 fokusiert . Besonders bevorzugt wird über zwei rechtwinklig angeordnete Strahlteiler 5, 6 zur' Triggerung des Detektors ein Teil des Primärstrahls auf eine weitere Quarzfaser la gelenkt und mit einer Triggereinheit 7, wie eine Photodiode, verbunden. Eine Faserhaltung D ist vorzugs¬ weise justierbar. Das umgelenkte Licht des ersten Strahltei¬ lers 5 wird vorzugsweise mit einer weiteren Fokussierein- richtung 4a, wie eine plankonvexe Quarzlinse 4a, zu einem bevorzugt angeordneten pyroelektrischen Energiemeßkopf 8 fo- kussiert . Mit einer Integratorschaltung kann so bevorzugt ein Signal zur Energienormalisierung für den Detektor be¬ reitgestellt werden.Figure 2 shows a preferred laser module. A pulsed nitrogen laser 3 is particularly preferably provided, which particularly preferably delivers a laser beam with a wavelength λ of approximately 337 nm. A repetition rate of the nitrogen laser 3 of particularly preferably approximately 15 Hz and an average pulse energy of approximately 1 mJ are provided. The temporal half-value width of the symmetrical pulse is approximately 0.6 ns ± 0.1 ns. The laser is focused on the excitation fiber 1 using a focusing device 4, such as a quartz lens 4. A part of the primary beam is particularly preferably directed to a further quartz fiber 1 a via two beam splitters 5, 6 arranged at right angles to trigger the detector and connected to a trigger unit 7, such as a photodiode. A fiber position D is preferably adjustable. The deflected light of the first beam splitter 5 is preferably focused with a further focusing device 4a, such as a plano-convex quartz lens 4a, to form a preferably arranged pyroelectric energy measuring head 8. An integrator circuit can thus preferably provide a signal for energy normalization for the detector.
Die Anregungsfaser 1 und die daran angeordnete Sonde A, die besonders bevorzugt eine faseroptische Sonde A ist, können über eine bevorzugt vorgesehene x-y-Meßverschiebung C und gegebenenfalls vorzusehene Umlenk und Führungseinrichtungen umpositioniert werden. Von der faseroptischen Sonde A ver¬ läuft die Beobachtungsfaser 2 über ähnliche Einrichtungen zum Detektormodul .The excitation fiber 1 and the probe A arranged thereon, which is particularly preferably a fiber-optic probe A, can be moved via a preferably provided xy measurement displacement C and if necessary, provided deflection and guide devices are repositioned. The observation fiber 2 runs from the fiber optic probe A via similar devices to the detector module.
Das Detektormodul ist in Figur 3 dargestellt . Die Beobach¬ tungsfaser 2 ist dabei bevorzugt an einem Faserhalter 9 an¬ geordnet, der weiter bevorzugt über eine x-y-Faserbündelein- kopplung 9a und ein Faserbündel 11 zur Querschnittswandlung mit dem Eingangsspalt eines Spektrographen 10 des Detektor¬ moduls verbunden ist. Die Beobachtungsfaser 2 wird bevorzugt direkt mit einem kreisförmigen Ende des Querschnittwandlers 11 verbunden. Die Beobachtungsfaser 2 von der x-y-Faserbün- deleinkopplung 9a bis zum Eingangsspalt des Spektrographen 10 ist vorzugsweise 1,50 m lang. Im Spektrographen sind meh¬ rere Reflektor- und Linseneinrichtungen und ein Tripel Git¬ ter 10a vorhanden.The detector module is shown in FIG. 3. The observation fiber 2 is preferably arranged on a fiber holder 9, which is more preferably connected via an x-y fiber bundle coupling 9a and a fiber bundle 11 for cross-sectional conversion to the input slit of a spectrograph 10 of the detector module. The observation fiber 2 is preferably connected directly to a circular end of the cross-sectional converter 11. The observation fiber 2 from the x-y fiber bundle coupling 9a to the input slit of the spectrograph 10 is preferably 1.50 m long. Several reflector and lens devices and a triple grating 10a are present in the spectrograph.
In der fokalen Ebene des Spektrographen 10 ist vorzugsweise ein optischer Vielkanalanalysator 12 angeordnet, der ein be¬ vorzugt rotempfindliches Photodiodenarray mit einem Bildver¬ stärker aufweist. Das Photodiodenarray ist weiter bevorzugt mit einem "gatebaren" und "proximityfused" Bildverstärker (MCP, microchannel plate) versehen. Die Zeitauflösung wird bevorzugt mit einem Hochspannungspuls erzielt, der die MCP für bevorzugt 5 bis 6 ns öffnet. Ein bevorzugtes Trigger- signal für den Hochspannungsimpuls wird über einen HV-Puls- generator erzeugt, der bevorzugt durch einen digitalen Ver¬ zögerungsgenerator bzw. Delaygenerator 13 angesteuert wird. Mit dem primären optischen Triggerimpuls als Nullpunkt der relativen Zeitbasis stellt der Verzögerungsgenerator vor¬ zugsweise in variablen Schrittweiten unterschiedlich lange Verzögerungszeiten für die Auslösung des HV-Pulses der MCP relativ zum Laserpuls zur Verfügung. Auf diese Weise wird bevorzugt sequentiell die Zeitachse abgetastet. Der Auslese¬ vorgang des Diodenarrays wird bevorzugt auch über den HV- Pulsgenerator synchronisiert und steht damit in direkter Be- ziehung zur Zeitbasis, die durch den Verzögerungsgenerator erzeugt wird. Der Vielkanalanalysator 12 liefert vorzugs¬ weise ein Signal an einen auswertenden Computer E, der ent¬ sprechend seiner Programmierung die Signale auswertet und ein qualitatives und/oder quantitatives Ergebnis liefert.An optical multichannel analyzer 12 is preferably arranged in the focal plane of the spectrograph 10 and has a preferably red-sensitive photodiode array with an image intensifier. The photodiode array is further preferably provided with a "gateable" and "proximity-used" image intensifier (MCP, microchannel plate). The time resolution is preferably achieved with a high-voltage pulse that opens the MCP for preferably 5 to 6 ns. A preferred trigger signal for the high-voltage pulse is generated via an HV pulse generator, which is preferably controlled by a digital delay generator or delay generator 13. With the primary optical trigger pulse as the zero point of the relative time base, the delay generator preferably provides variable length delay times for triggering the HV pulse of the MCP relative to the laser pulse in variable step sizes. In this way, the time axis is preferably scanned sequentially. The reading process of the diode array is preferably also synchronized via the HV pulse generator and is therefore directly related to drawing to the time base generated by the delay generator. The multi-channel analyzer 12 preferably supplies a signal to an evaluating computer E which, according to its programming, evaluates the signals and delivers a qualitative and / or quantitative result.
Figur 4 verdeutlicht einen Meßaufbau innerhalb einer minera¬ lischen Deponiedichtung, wenn das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung bzw. Kontrolle einer Deponie verwendet wird. Dabei sind die Sen¬ soren A in verschiedenen Tiefen innerhalb einer minerali¬ schen Dichtung 15, vorzugsweise unterhalb einer Sickerwas¬ serleitung, am Randwall und/oder in der Deponiefläche einge¬ baut. Referenzsonden 16 befinden sich in der Sickerwasser¬ leitung. Bei einem Versagen der Sickerwasserdrainage ist ein Aufstau von Sickerwasser in der Nähe der Tiefpunkte und da¬ mit ein beschleunigter Transport durch die Basisdichtung zu erwarten.FIG. 4 illustrates a measurement setup within a mineral landfill seal if the method according to the invention or the device according to the invention is used to monitor or control a landfill. The sensors A are installed at different depths within a mineral seal 15, preferably below a leachate line, on the edge wall and / or in the landfill area. Reference probes 16 are located in the leachate pipe. If the leachate drainage fails, an accumulation of leachate near the low points and thus accelerated transport through the base seal can be expected.
Grundlage der verfolgten Auswertungsstrategie ist vorzugs¬ weise die Reduktion eines zeitaufgelösten Emissionsspektrums auf die zugrundeliegenden Faktoren, wie bevorzugt die Emis¬ sionsspektren und Abklingkurven der beteiligten Fluorophore. Zunächst wird bevorzugt mittels vorzugsweise zweier Refe¬ renzspektren die Dispersion des Spektrums innerhalb der Fa¬ ser ausgeglichen. Nachfolgend werden weiter bevorzugt die Spektren entlang der Wellenlängenachse mit einem FIR-Filter bearbeitet und Artefakte durch kosmische Strahlen bzw. Fehl- entladungen des Lasers entlang der Zeitachse werden mit einem spike-Filter auf der Basis der Spline-Interpolation beseitigt. Vor der eigentlichen Identifizierung und Quanti¬ fizierung wird dann vorzugsweise mit einer Ranganalyse die Zahl der unabhängig voneinander variierenden Komponenten be¬ stimmt. Mit dieser Information kann schließlich das zeitauf¬ gelöste Spektrum entsprechend der Komplexität und Güte der Daten bzw. den Anforderungen des Benutzers entweder vorzugs¬ weise mittels Faktorenanalyse oder alternativ durch eine Rang-Annihilierungs-Faktorenanalyse (RAFA) in die charakte¬ ristischen spektralen und zeitliche Anteile der Komponenten zerlegt werden.The basis of the evaluation strategy pursued is preferably the reduction of a time-resolved emission spectrum to the underlying factors, such as preferably the emission spectra and decay curves of the fluorophores involved. First of all, the dispersion of the spectrum within the fiber is preferably compensated for by means of preferably two reference spectra. In the following, the spectra along the wavelength axis are processed with a FIR filter and artifacts due to cosmic rays or incorrect discharges of the laser along the time axis are eliminated with a spike filter based on the spline interpolation. Before the actual identification and quantification, the number of components that vary independently of one another is then preferably determined using a rank analysis. With this information, the time-resolved spectrum can finally, according to the complexity and quality of the data or the requirements of the user, either by means of factor analysis or alternatively by a Rank annihilation factor analysis (RAFA) can be broken down into the characteristic spectral and temporal components of the components.
Ein allmähliches Durchdringen von Schadstoffen der Depo¬ nieabdichtung deutet sich durch die zunehmende Ähnlichkeit der dreidimensionalen Spektren (Wellenlänge x Zeit x Inten¬ sität) der Referenzsonde und der Sonden innerhalb der Ba¬ sisabdichtung an. Hierbei treten geringfügige Abweichungen der Spektren auf, die durch die chromatographische Auftren- nung des komplexen Sickerwassers in einzelne Schadstoffgrup¬ pen bedingt sind. Dieser Sachverhalt ist in Fig. 5 darge¬ stellt. Ein plötzliches Versachen der Deponieabdichtung äußert sich in einer sprunghaften Veränderung der gemessenen Spektren und nahezu identischen Spektren des Sensors A in¬ nerhalb der Dichtung und der Referenzsensoren 16. A gradual penetration of pollutants in the landfill seal is indicated by the increasing similarity of the three-dimensional spectra (wavelength x time x intensity) of the reference probe and the probes within the base seal. In this case, slight deviations in the spectra occur, which are caused by the chromatographic separation of the complex leachate into individual pollutant groups. This fact is shown in FIG. 5. A sudden failure of the landfill seal is manifested in a sudden change in the measured spectra and almost identical spectra of sensor A within the seal and the reference sensors 16.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Verfahren insbesondere zur Wasser- bzw. Bodenanalyse, wobei das Vorhandensein bzw. die Konzentration minde¬ stens einer Substanz ermittelt bzw. gemessen wird, ge¬ kennzeichnet durch Messen vor Ort mittels Spektroskopie.1. A method, in particular for water and soil analysis, the presence or concentration of at least one substance being determined or measured, characterized by on-site measurements using spectroscopy.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fluoreszenzspektroskopie durchgeführt wird, die zeitaufgelöst und/oder laserinduziert erfolgt.2. The method according to claim 1, characterized in that a fluorescence spectroscopy is carried out, which is time-resolved and / or laser-induced.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Fluoreszenzspektroskopie unter Verwendung von einem gepulsten Laser bzw. einem mit einem Farb¬ stofflaser gekoppelten Laser erfolgt.3. The method according to claim 1 or 2, characterized gekennzeich¬ net that the fluorescence spectroscopy is carried out using a pulsed laser or a laser coupled with a dye laser.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch Erzeugen des Lichts für die Anregung der Fluoro- phore durch den Laser und Einkoppeln des Lichts durch die Lichtleiterfasern zu einem am Meßort befindlichen Sensorkopf.4. The method according to claim 1, 2 or 3, characterized by generating the light for the excitation of the fluorophore by the laser and coupling the light through the optical fibers to a sensor head located at the measuring location.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekenn¬ zeichnet durch Aufnehmen des emittierten Lichts als Spektrum über die Zeit und über die Fluoreszenzintensi¬ tät und Auswerten mittels Faktorenanalyse.5. The method according to any one of the preceding claims, marked by recording the emitted light as a spectrum over time and over the fluorescence intensity and evaluation by means of factor analysis.
6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Inter¬ pretieren der durch die Faktorenanalyse erhaltenen Daten mittels eines neuronalen Netzes .6. The method according to claim 5, characterized by interpreting the data obtained by the factor analysis by means of a neural network.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekenn¬ zeichnet durch Vergleichen eines zeitaufgelösten, multi- dimensionalen Fluoreszenzspektrums, das vor Ort aufge¬ nommen wurde, mit einem Referenzspektrum. 7. The method according to any one of the preceding claims, marked by comparing a time-resolved, multi-dimensional fluorescence spectrum, which was recorded on site, with a reference spectrum.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekenn¬ zeichnet durch Aufbringen mindestens eines geeigneten Fluoreszenzmarkierungsstoffs auf das zu messende Medium.8. The method according to any one of the preceding claims, marked by applying at least one suitable fluorescent marking substance to the medium to be measured.
9. Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Kontrolle einer Deponie.9. Use of a method according to one of the preceding claims for controlling a landfill.
10. Analysevorrichtung, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, wobei das Vorhandensein bzw. die Konzentration mindestens einer Substanz gemessen wird, mit einem Laser (3) , einer Anre¬ gungsfaser (1) , einer am Meßort angeordneten Sonde (A) und einer Detektoreinrichtung, wobei ein Laserstrahl von dem Laser (3) zur Sonde über eine Anregungsfaser (1) ge¬ leitet wird und das am Meßort emittierte Spektrum über eine Beobachtungsfaser (2) zur Detektoreinrichtung ge¬ leitet wird.10. Analysis device, in particular for carrying out a method according to claims 1 to 8, wherein the presence or the concentration of at least one substance is measured with a laser (3), an excitation fiber (1), a probe arranged at the measuring location ( A) and a detector device, wherein a laser beam is guided from the laser (3) to the probe via an excitation fiber (1) and the spectrum emitted at the measuring location is guided to the detector device via an observation fiber (2).
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Triggereinrichtung (7) zur Triggerung der Detektorein¬ richtung, wobei über eine Strahlteilereinrichtung (5, 6) ein Teil des vom Laser ausgesandten Laserstrahls zur Triggereinrichtung (7) geführt wird.11. The device according to claim 10, characterized by a trigger device (7) for triggering the detector device, wherein part of the laser beam emitted by the laser is guided to the trigger device (7) via a beam splitter device (5, 6).
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß durch eine Strahlteilereinrichtung (5) ein Teil des vom Laser (3) ausgesandten Laserstrahls zu einem pyroelektrischen Energiemeßkopf (8) geführt wird, der ein Signal zur Energienormalisierung für die Detek¬ toreinrichtung bereitstellt. 12. The apparatus of claim 10 or 11, characterized gekenn¬ characterized in that a part of the laser beam emitted by the laser (3) is guided to a pyroelectric energy measuring head (8) by a beam splitter device (5) which has a signal for energy normalization for the Detek¬ provides gate equipment.
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