WO2021139847A1

WO2021139847A1 - Verfahren zur qualitätskontrolle an in einer fluidleitung strömendem fluid

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Publication number: WO2021139847A1
Application number: PCT/DE2020/100646
Authority: WO
Inventors: Rainer Kaifel
Original assignee: Kaifel.Com Ug Haftungsbeschränkt
Priority date: 2020-01-08
Filing date: 2020-07-22
Publication date: 2021-07-15
Also published as: DE102020100237A1; DE102020100237B4

Abstract

Es ist bereits bekannt, Fluidleitungen im Hinblick auf kritische Belastungen zu untersuchen und hierzu einen abzweigenden Fluidstrom aus einer Fluidleitung zu untersuchen. Im Rahmen der Untersuchung erfolgt eine Bilderkennung, mit deren Hilfe gegebenenfalls festgestellte Keime in dem Fluidstrom nachgewiesen werden können. Solche Untersuchungen sind jedoch häufig sehr aufwändig, da die vor Ort befindlichen Auswertungen viel Rechenkapazität erfordern und daher teure Geräte an jeder Probenentnahmestelle vorgehalten werden müssen. Die Erfindung schlägt vor diesem Hintergrund ein zweistufiges Auswertungsverfahren vor, bei dem ein einfacher Prozessrechner eine grobe Echtzeit-Voranalyse durchführt und im Falle eines Verdachtsmoments die ermittelten Bilder an eine zentrale Datenverarbeitungseinheit sendet. Diese führt eine Feinanalyse durch, um das Verdachtsmoment zu klären. Wurden tatsächlich kritische Objekte erkannt, so wird ein Alarm ausgelöst und sogleich eine Probe aus dem überwachten Fluidstrom entnommen.

Description

VERFAHREN ZUR QUALITÄTSKONTROLLE AN IN EINER FLUIDLEITUNG STRÖMENDEM FLUID

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätskontrolle an in ei ner Fluidleitung strömendem Fluid, insbesondere Trinkwasser, wobei über eine mit der Fluidleitung verbundene Probenleitung eine Fluidprobe in einen mit der Probenleitung verbundenen Beobachtungsraum eingeleitet wird, mithilfe eines mikroskopischen Bildgebers Bilder der in dem Beobachtungsraum enthaltenen Fluidprobe erfasst und an einen Prozessrechner übermittelt werden, wobei der Prozessrechner an aufgezeichneten Bildern eine Echtzeit-Voranalyse durch führt, welche eine Bildauswertung mit einer Objekterkennung einschließt.

Ein derartiges Verfahren wird bereits in der EP 2469264 B1 beschrieben. Dort wird gelehrt, die Anzahl oder Konzentration von Partikeln innerhalb eines Fluids mit einem Überwachungssystem zu überwachen, bei dem eine Probe durch den Sichtbereich eines optischen Elements geführt wird, so dass im Rahmen einer Bilderkennung die Zusammensetzung des Fluids untersucht werden kann. Hierbei wird der Fluss des Fluids für den Moment der Untersuchung mithilfe von Ventilen angehalten. Im Falle der Überschreitung festgelegter Grenzwerte wird ein Alarm ausgelöst. Weiter ist bekannt, denselben Fluidstrom zur Erzeugung einer Kontrollmessung durch eine zweite Sensoreinheit zu führen.

Diese Lösung sieht insoweit eine in-situ-Kontrolle vor, die auf aktuell vorliegen den Messergebnissen beruht, die aber nicht gespeichert werden. Zu einem spä- teren Zeitpunkt kann so nur schwer nachvollzogen werden, was zu welchem Zeitpunkt tatsächlich in der Probe aufzufinden war und ob eine Entscheidung hinsichtlich eines Alarms zutreffend oder fehlerhaft gewesen ist. Aufgrund der Unterbrechung des Fluidflusses erfolgt zudem die Überprüfung des Fluids eher langsam.

In diesem Zusammenhang ist auch die EP 2607881 B1 zu erwähnen, bei der zunächst eine Aufkonzentrierung des Fluids erfolgt und dieses dann einer Bild auswertung zugeführt wird.

Im Übrigen sind in diesem Zusammenhang die Schriften US 2017/0082530 A1, WO 2004/051367 A2, JP H-07232188 A, JP H-05332915 A und DE 102010 044919 A1 zu nennen, welche ebenfalls die Bildauswertung an Fluidproben, insbesondere im Bereich der Trinkwasserüberwachung betreffen.

All diesen Systemen und Verfahren liegt das ursprüngliche Problem zugrunde, dass Bakterien, Pilze, Sedimente und andere körperliche Inhaltsstoffe nur in sehr unregelmäßigen Abständen nachweisbar sind und damit bei einer Proben entnahme eine hohe Wahrscheinlichkeit besteht, dass eine vorhandene Belas tung durch Keime nicht bemerkt wird. Eine manuell genommene Probe zu si chern und zur Untersuchung in ein Labor zu verbringen, erlaubt zwar eine sehr gute Analyse dieser Probe, jedoch wäre es erforderlich, die Probenentnahme in Abständen wiederholt vorzunehmen, um sicherzustellen, ob eine Belastung des untersuchten Gewässers besteht. In den Labors werden die Proben auf spezifi schen Nährböden bis zu zehn Tage lang bebrütet, um anschließend in der Re gel unter dem Mikroskop festzustellen, ob und wie viele Bakterien zählbar sind. Eine kontinuierliche Erfassung von Messwerten kann hierdurch aufgrund der räumlichen Distanz der Messstellen zu den Laboren, der Kosten und des zeitli chen Aufwands nicht geleistet werden.

Die vorliegenden Verfahren reagieren darauf mit einer aufwändigen Untersu chungsanordnung, welche vor Ort stattfindet und sich auf eine umfassende Bildauswertung beschränkt. Dies bedeutet jedoch, dass eine Alarmierung einer solchen Untersuchungsanordnung zur Folge hat, dass aufgrund dieser Alarmie rung ein Untersuchungstechniker ausrücken muss, um eine Probe zu entneh men und diese im Nachgang zu der automatisierten Prüfung unter Laborbedin gungen intensiv zu testen. Ein solcher Labortest ist erheblich zuverlässiger als eine reine Bildauswertung, allerdings auch erheblich teurer, so dass die Aus wertung von Labortests auf ein Minimum zu reduzieren sind.

Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grun de, ein Verfahren zur Qualitätskontrolle an in einer Fluidleitung strömendem Fluid vorzuschlagen, welches eine möglichst einfache und kostengünstige Lö sung vor Ort erfordert und die ausführliche Bewertung von Proben zwar ermög licht, aber auf ein Minimum reduziert.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Qualitätskontrolle an in einer Fluidleitung strömendem Fluid gemäß den Merkmalen des unabhängigen An spruchs 1. Weitere sinnvolle Ausgestaltungen eines derartigen Verfahrens kön nen den sich hieran anschließenden abhängigen Ansprüchen entnommen wer den.

Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, ein mehrstufiges Prüfungsverfahren zu implementieren, welches aus einer ersten Vor-Ort-Prüfung besteht, die als Echtzeit-Voranalyse in einer lokalen Testumgebung stattfindet, sowie einer in tensiveren Feinanalyse, die, vorzugsweise online und unmittelbar im Anschluss an die Voranalyse, in einer zentralen Datenverarbeitungseinheit durchgeführt wird. Erst wenn die nur noch selektiv durchgeführte Feinanalyse ebenfalls eine kritische Verunreinigung feststellt, wird eine umgehende Probenentnahme in der lokalen Testumgebung veranlasst, wobei die entnommene Probe dann in einem Laborverfahren untersucht werden kann. Wann eine Verunreinigung als kritisch angesehen wird, kann über die Festlegung eines Schwellenwerts vom Benutzer beeinflusst werden. Im Einzelnen erfolgt die Qualitätskontrolle an einer Fluidleitung, aus welcher über eine Abzweigung ein Probenstrom Trinkwasser in eine Probenleitung ent nommen wird. Die Probenleitung mündet in einen Beobachtungsraum, wo die Fluidprobe mithilfe eines mikroskopischen Bildgebers untersucht wird. In dem Beobachtungsraum kann der mikroskopische Bildgeber Bildmaterial der Fluid probe erstellen, welches einem Prozessrechner zur Echtzeit-Voranalyse zuge führt wird. Jedes aufgenommene Bild wird mit einer Bildauswertung beurteilt und mit vorangehenden und nachfolgenden Bildern verglichen und es wird im Rahmen einer softwarebasierten Objekterkennung festgestellt, ob kritische Ob jekte darauf erkennbar sind und bedarfsweise auch in welcher Konzentration.

Soweit dies nicht der Fall ist, werden die Bilder wieder verworfen. Werden der artige kritische Objekte hingegen festgestellt, so werden die betreffenden Bilder bzw. Bildfolgen gespeichert und zum Zwecke einer Feinanalyse von dem Pro zessrechner über eine Kommunikationseinheit an eine zentrale Datenverarbei tungseinheit weitergeleitet, welche eine intensivere Auswertung des Bildmateri al mit zeitintensiveren Methoden durchführt. Da die Bildauswertung und Ob jekterkennung in der zentralen Datenverarbeitungseinheit nicht mehr in Echtzeit erfolgen muss, gelingt eine solche intensive Bildauswertung an den in der zent ralen Datenverarbeitungseinheit nur in geringen Mengen vorliegenden Bildern und Bildfolgen unproblematisch. Werden auf dem betreffenden Bild auch im Rahmen der Feinanalyse kritische Objekte erkannt, so wird auch in der zentra len Datenverarbeitungseinheit das Bild gespeichert und bei dem lokalen Pro zessrechner ein Alarm ausgelöst. Aufgrund dieses Alarms wird der Prozess rechner eine Probenentnahme veranlassen, wobei eine Fluidprobe aus der Probenleitung über eine Probenentnahmeleitung in einen Probenbehälter er folgt. Diese Probe kann dann mit einem Zeitstempel versehen oder bedarfswei se auch direkt mit einem Datensatz beschriftet werden. Bis zu einer Abholung des Probenbehälters verbleibt die entnommene Probe vor Ort und wird, einmal im Labor angekommen, einer intensiven Untersuchung zugeführt. Hierdurch erreichen das Labor nur solche Proben, welche in einem zweistufi gen, intensiven Bildauswertungsverfahren als möglicherweise kritisch eingestuft worden sind. Während auf diesem Weg die lokale Prüfung in Echtzeit und damit praktisch lückenlos erfolgen kann, wird die intensive Kontrolle einzelner Treffer auf eine zentrale Datenverarbeitungseinheit, etwa in einem Rechenzentrum, ausgelagert, so dass mehrere lokale Einheiten gemeinsam auf eine Datenver arbeitungseinheit zugreifen können. Die Entnahme von Proben und deren Ver bringung in ein Labor zur intensiven und kostenaufwändigen Prüfung erfolgt nur dann, wenn sowohl die Echtzeit-Voranalyse als auch die Feinanalyse eine ab schließende Klärung im Labor veranlassen.

In diesem Zusammenhang besteht in jeder nachgelagerten Instanz der Wunsch, möglichst nur die kritischen Messergebnisse vorgelegt zu bekommen, diese aber möglichst vollständig. Eine solche Optimierung kann insbesondere durch eine Rücklernfunktion realisiert werden, bei der das Ergebnis jeder Feinanalyse an Bildern, die ein Prozessrechner an die zentrale Datenverarbei tungseinheit gesandt hat, an diesen zurückgemeldet wird, so dass der Prozess rechner in einer Feedback-Schleife Erkenntnisse darüber sammeln kann, wann ein kritisches Messergebnis vorliegt und wann nicht. Dies hilft dabei, die Genau igkeit bei der Weiterleitung von Messergebnissen an die zentrale Datenverar beitungseinheit mit der Zeit weiter zu verbessern.

Insbesondere, aber nicht abschließend, können seitens des Prozessrechners Mikroplastik-Partikel, organische und anorganische Sedimente, Pilze, Sporen, Ein- bis Wenigzeller wie beispielsweise Amöben oder Algen und/oder Bakterien als kritische Objekte betrachtet werden, bei deren Detektion auf einem erfass ten Bild der Prozessrechner dieses Bild an die zentrale Datenverarbeitungsein heit übermittelt. Hierbei kann im Rahmen einer Objekterkennung ein Auffinden möglicher kritischer Objekte erfolgen, die dann durch einen Bildvergleich aus gewertet werden können. Auf diese Weise ist auch eine weitere Charakterisie rung möglich, etwa im Hinblick auf die Frage, welche Bakterienform wie etwa eine Stäbchen- oder Kugelform, im Einzelnen aufgefunden worden sind. An- hand der Form kann eine potenzielle Gefahr bereits abgeschätzt werden. So kann bei eher unkritischen Bakterien gegebenenfalls eine gewisse Belastung toleriert werden, während bei anderen Bakterien schon Einzelfunde zur Weiter leitung und intensiveren Prüfung führen können.

Bei der Auswertung sollte idealerweise ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Fehlmeldungen und tatsächlichen kritischen Meldungen bestehen. Insbesonde re sollte jedes im Rahmen der Echtzeit-Voranalyse festgestellte Auftreten kriti scher Objekte festgestellt und an die zentrale Datenverarbeitungseinheit wei tergeleitet werden. Treten hingegen zu häufige Übermittlungen ein, werden also zu viele Fehlmessungen weitergeleitet, so kann zumindest in einer ersten Reak tion hierauf eine willkürliche Reduktion der Sendemenge durch Umschalten in einen Dämmerungsmodus vorgenommen werden.

Neben der Problematik möglicher zu häufiger Übermittlungen von unkritischen Bildern an die zentrale Datenverarbeitungseinheit kann auch die umgekehrte Situation eintreten, nämlich dass der Prozessrechner nur sehr wenige oder gar keine Bilder mehr übermittelt. Dies kann ganz unterschiedliche Gründe haben. Neben einer schlecht eingelernten oder über die Zeit verschlechterten Erken nung, etwa bei Ausbleiben einer Rückmeldung durch Datenverlust, können auch mechanische Probleme wie die Verschmutzung, Verstopfung, Defekte oder ein Totalausfall vorliegen, so dass auch in einem Fall, in dem während eines Zeitraums keine Informationen vom Prozessrechner an die zentrale Da tenverarbeitungseinheit gelangen, ebenfalls ein Alarm ausgelöst werden kann. Dies kann durch die regelmäßige Übertragung eines Kontrollbilds umgangen werden.

Für die Auslösung des Alarms selbst sind unterschiedliche Lösungen ersetz bar. So können Alarmmitteilungen von der zentralen Datenverarbeitungseinheit drahtlos oder drahtgebunden, insbesondere per E-Mail, Short Message Service, Pushnachricht, Nachricht auf einem Bussystem oder per Funk zwischen dem Prozessrechner und der Datenverarbeitungseinheit, sowie bedarfsweise an wei- tere relevante Rechner und Überwachungssysteme übermittelt werden. Hierbei handelt es sich jedoch nicht um eine abschließende Liste. Vielmehr sind alle bekannten und künftigen Übermittlungsformen von Nachrichten zwischen den beiden Rechnereinheiten ausdrücklich mit in Bezug genommen.

Als Bildgeber können mit einigem Vorteil solche Vorrichtungen eingesetzt wer den, welche ein vergrößertes Bild der Fluidprobe in dem Beobachtungsraum liefern. Da die gesuchten kritischen Objekte klein sind, wird als Bildgeber eine Anordnung bevorzugt, welche aus einem Vergrößerungselement, insbesondere aus einer optischen Linsenanordnung wie einem Okular, und einem Aufnahme gerät wie einer Kamera besteht. Die Kamera ist hierbei auf den Beobachtungs raum ausgerichtet, wobei das Vergrößerungselement in dem Sichtfeld der Ka mera derart angeordnet ist, dass die Kamera ein mikroskopisch vergrößertes Bild des in dem Beobachtungsraum aufgenommenen Fluids aufzeichnen kann.

Dabei hat es sich als besonders sinnvoll herausgestellt, mit einem Bildgeber zu arbeiten, der Bildausschnitte in der Größe von zumindest 250 pm x 250 pm aufnimmt, wobei eine Schichtdicke von zumindest 20 pm berücksichtigt werden kann.

Ferner können die Bilder so aufgenommen werden, dass aufeinanderfolgende Bilder überlappend aufgenommen werden, also das Fluid noch nicht vollständig durch den beobachteten Bildausschnitt geflossen ist, bevor das nächste Bild aufgenommen wird. Die Überlappung kann hierbei insbesondere wenigstens 5 %, vorzugsweise wenigstens 10 %, höchst vorzugsweise sogar wenigstens 50 % betragen.

Es ist in diesem Zusammenhang sinnvoll, den Beobachtungsraum aus einem durchsichtigen Material herzustellen. Unterschiedliche Materialien bewirken hierbei natürlich unterschiedliche Eigenschaften, so dass insbesondere die Verwendung von Quarzglas oder Borosilikatglas, welches für ultraviolettes Licht durchlässig ist, vorteilhaft ist. Zwar kann der Beobachtungsraum mit besonderem Vorteil mit sichtbarem Licht hinterleuchtet werden, etwa mithilfe einer oder mehrerer Leuchtdioden im Be reich grünen oder weißen Lichts, jedoch ist es sinnvoll, den Beobachtungsraum in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen mit einem Lichtblitz zu beauf schlagen, der mit besonderem Vorteil im Ultraviolettbereich, vorzugsweise mit einer Wellenlänge zwischen 210 nm und 380 nm, liegt. Aufgrund einer solchen Anregung mit energiereichem Licht kann die Probe zur Reaktion gebracht wer den. Soweit entsprechende Bakterien vorhanden sind, können diese aufgrund der Energieeinstrahlung reagieren, was gegebenenfalls optisch feststellbar und kategorisierbar ist und die Erkennungsgenauigkeit verbessert.

Im Gegensatz zum Stand der Technik hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Fluidprobe als kontinuierlichen Strom durch den Beobachtungsraum hindurch zuleiten. Hierdurch wird der Durchsatz und damit der Grad der Überwachung erhöht, wobei dies gleichzeitig eine gewisse Rechenleistung bei der Bewälti gung der anstehenden Bildauswertungen erfordert. Ermöglicht wird dies durch die eingangs beschriebene Verteilung der Objekterkennung zwischen dem Pro zessrechner und der zentralen Datenverarbeitungseinheit.

Um einen möglichst gleichmäßigen, kontinuierlichen Fluidstrom zu erzeugen, kann eine Peristaltikpumpe, also eine so genannte Schlauchpumpe, eingesetzt werden, deren Fördergeschwindigkeit in bevorzugter Ausgestaltung steuerbar oder sogar regelbar ist. Im letzteren Fall ist ein geeigneter Regelkreis mit fach üblichen Mitteln zu ergänzen. Die Fördergeschwindigkeit liegt bevorzugt zwi schen 0,1 mm/min und 20 mm/min, besonders bevorzugt zwischen 0,5 mm/min und 10 mm/min.

Die für den Betrieb und die kontinuierliche Beschickung der Peristaltikpumpe auf deren Saugseite erforderlichen Bedingungen können durch einen vorge schalteten Druckreduzierer und/oder ein Regulierventil in der Probenleitung hergestellt werden. Diese stellen einen Arbeitsdruck ein, unter dem die Peristal tikpumpe stets mit einem geeigneten Druck beaufschlagt wird.

Bevorzugtermaßen kann der Peristaltikpumpe ergänzend ein Ultrafiltrationsfilter vorgeschaltet sein, mit dessen Hilfe eine Aufkonzentration von Objekten in dem in der Probenleitung geführten Fluid ermöglicht wird. Auf diese Weise kann trotz eines geringeren Durchsatzes der Peristaltikpumpe letztlich eine größere Men ge an Fluid untersucht werden, da die Bestandteile einer großen Fluidmenge in einem kleinen Volumen konzentriert sind.

In diesem Zusammenhang kann, vor oder nach der Peristaltikpumpe, ein Ab fluss bzw. Überlauf vorgesehen sein, über den überschüssiges Fluid aus der Probenleitung in eine Sensorwanne abgeleitet wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, bewusst Fluid in die Sensorwanne einzuleiten, um dieses mit den dort vorgehaltenen Sensoren zu prüfen. Der Sensorwanne kann hierbei wenigs tens ein Sensor zugeordnet sein, vermittels dessen das in dies Sensorwanne eingelaufene Fluid untersucht wird. Bevorzugtermaßen handelt es sich bei dem oder den Sensoren um einen oder mehrere aus der Gruppe Trübungssensor, pH-Wert-Sensor, Temperatursensor, Leitfähigkeitssensor, Adenosintriphosphat- Sensor, Fluoreszenz-Sensor, Photosensor, UV-Sensor, Redox-Sensor. Es ist ebenfalls bekannt, eine Mehrzahl von Sensoren in einem Sensorarray zusam menzufassen, die gleich eine Vielzahl von Einzelsensoren ersetzen und eine ganze Reihe von Messergebnissen liefern. Diese Messergebnisse werden an den Prozessrechner weitergeleitet und entweder von diesem direkt bei der Be wertung der Objekterkennung berücksichtigt und gespeichert, oder nur gespei chert und in der zentralen Datenverarbeitungseinheit vorgehalten. Insbesondere können die von den Sensoren ermittelten Daten zusätzliche Entscheidungshil fen liefern. So kann beispielsweise ein Temperatursensor eine Temperatur zu rückliefern, die gegebenenfalls einen Befall mit bestimmten Bakterien aus schließen, oder zumindest unwahrscheinlich werden lässt. Die Probenleitung zweigt aus einer zu überwachenden Fluidleitung ab. Ein gangs der Probenleitung kann zunächst ein Vorfilter angeordnet sein, welches verhindert, dass größere Schmutzfrachten aus der Fluidleitung in die Probenlei tung eingetragen werden und diese verstopfen. Insbesondere kann ein solches Vorfilter die Partikelgröße begrenzen, vorzugsweise auf Partikel von höchstens 80 pm Größe. Ferner kann das Vorfilter bevorzugtermaßen mit Fluid aus der Fluidleitung spülbar sein, indem ein Spülventil geöffnet und an dem Vorfilter anhaftende Schmutzschichten fortgespült werden.

Mithilfe eines zusätzlichen Rückschlagventils kann zudem ein unerwartetes Rückspülen von Fluid aus der Probenleitung in die Fluidleitung verhindert wer den. Ein Einträgen von Fluid in die Fluidleitung muss zur Wahrung der Fluid qualität ausgeschlossen werden.

Am Ende der Probenleitung, insbesondere strömungstechnisch hinter dem Be obachtungsraum, bedarfsweise aber zusätzlich an weiteren Stellen der Proben leitung, kann ein Sensor vorgesehen sein, welcher eine Durchflusskontrolle er möglicht. Dies kann über einen Feuchtesensor erfolgen, mit dessen Hilfe die Anwesenheit von Fluid detektiert werden kann. Sofern am Ende der Probenlei tung kein Fluid ankommt, muss davon ausgegangen werden, dass eine Ver stopfung der Leitung an einer vorhergehenden Stelle besteht. Dies kann zu ei ner Alarmsignalisierung führen, aufgrund derer eine Reinigung, gegebenenfalls auch eine automatische Reinigung, etwa eine Spülung des Vorfilters, erfolgt. Im Fall einer derartigen Störung wird der Probenzufluss komplett gesperrt und ein Ablaufventil geöffnet, über welches das anstehende Fluid aus der Probenleitung abgelassen werden kann.

Wird aufgrund einer Alarmierung durch die zentrale Datenverarbeitungseinheit eine Probenentnahme durchgeführt, so werden hierfür geeignete Probenbehäl ter vorgehalten. Hierbei kann es sich insbesondere um sterile geschlossene Behälter mit elastischem Deckel handeln, welche zur Befüllung mit einer Kanüle durchstochen werden. Sobald die Kanüle in den Probenbehälter einragt, wird eine Fluidprobe in den Probenbehälter eingeleitet. Nach der Befüllung wird die Kanüle wieder abgezogen und der Deckel verschließt sich aufgrund seiner Elastizität wieder. Mit einigem Vorteil kann der Deckel in diesem Zusammen hang aus Gummi, Schaumstoff oder Folie hergestellt sein, wobei der Deckel insbesondere auf Druck, nicht auf Zug auf dem Probenbehälter angebracht sein sollte. Für die Sterilisierung oder Desinfektion der Zuführleitung und der Kanüle wird entweder mit einer lokalen Erhitzung gearbeitet, oder aber mit einer Beauf schlagung mit ultravioletter Strahlung. Auch ist es möglich, die Kanüle alternativ in eine Desinfektionslösung einzutauchen und dadurch die Desinfektion zu be wirken.

Die Befüllung kann unter Verwendung einer Füllstandsmessung, etwa vermit tels einer Lichtschranke, oder aufgrund einer festen Dosierung erfolgen.

Die einzelnen vorbeschriebenen Verfahrensschritte laufen im Wesentlichen um den Prozessrechner und die Probenleitung herum ab. Zur verbesserten Hand habbarkeit erscheint es sinnvoll, den Gesamtprozess in einem Gehäuse zu kapseln. Ein solches Gehäuse kann mit einigem Vorteil ein Gebläse aufweisen, welcher ein Partikel- und Schwebstofffilter, insbesondere eine HEPA (High Effi ciency Perticulate Air)-Filter nachgeschaltet ist. Dann wird das Gebläse Luft in das Gehäuse einsaugen, ohne dass Partikel aus der Luft in das Gehäuse ein- dringen können. Wird das Gebläse stets so betrieben, dass sich in dem Gehäu se ein Überdruck ausbildet, so kann auch auf anderen Wegen kein Staub von außen eindringen.

Zudem können bevorzugtermaßen die einzelnen, insbesondere elektrischen Komponenten gekapselt sein und die einzelnen Module über Stecker miteinan der verbindbar sein. Dies erlaubt zum Einen eine fluiddichte Aufnahme der elektrischen Elemente in dem auch fluidführenden Gehäuse, ohne dass die Ge fahr eines Fluidschadens besteht, zum Anderen erlaubt dies den einfachen Er satz und bei der Konstruktion den leichten modulweisen und damit bedarfsge rechten Aufbau. Bevorzugtermaßen wird hierbei sichergestellt, dass die elekt- ronischen Elemente stets oberhalb der fluidführenden Elemente angeordnet sind. Für den Fall doch auftretender Leckagen kann dem Gehäuse ein Feuch tesensor im Bodenbereich zugeordnet sein, welcher im Fall eines Flüssigkeits kontakts eine Alarmierung wegen Leckage auslöst.

Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines Aus führungsbeispiels näher erläutert. Figur 1 zeigt hierbei eine schematische Dar stellung des Verfahrens am Beispiel eines Systems zur Probenentnahme, wel ches in erfindungsgemäßer Art und Weise mit einer zentralen Datenverarbei tungseinheit datenverbunden ist.

Im Einzelnen zeigt Figur 1 eine Fluidleitung 1 mit zu untersuchendem Fluid, an welcher ein Gehäuse 28 angesetzt ist. In diesem Gehäuse 28 läuft das erfin dungsgemäße Verfahren ab. Zunächst zweigt hierfür von der Fluidleitung 1 eine Probenleitung 5 ab, die sich mehr oder minder durch das Gehäuse 28 zieht. Eingangs der Probenleitung 5 ist ein Rückschlagventil 2 angeordnet, so dass kein Fluid aus der Probenleitung 5 zurück in die Fluidleitung 1 strömen kann. An das Rückschlagventil 2 schließt sich im weiteren Verlauf der Probenleitung 5 ein Vorfilter 3 an, welches die Partikelgröße der eingetragenen Partikel auf 80 pm beschränkt. Für den Fall, dass das Vorfilter 3 mit Schmutzfrachten zusetzt, kann es mithilfe des anstehenden Fluids aus der Fluidleitung gespült werden, wozu eine Spülleitung 4 über das Vorfilter 3 geführt und aus dem System her ausgeleitet wird.

Wesentlicher Teil der Probenleitung 5 ist ein Beobachtungsraum 15, welcher im weiteren Verlauf der Probenleitung 5 angeordnet ist und einen mit dem Fluid der Probenleitung 5 durchström baren Hohlraum darstellt. Um eine Beobachtung von außen zu ermöglichen, ist der Beobachtungsraum entweder vollständig transparent oder weist zumindest ein transparentes Beobachtungsfenster auf, auf welches eine Kamera 18 gerichtet ist. Dieser in ihrem Sichtfeld zugeordnet ist ferner ein Vergrößerungselement 19, welches etwa als Okular ausgebildet sein kann. Dies erlaubt es, die Fluidprobe im mikroskopischen Bereich zu be obachten und zu überwachen.

Die Beleuchtung des Beobachtungsraums 15 erfolgt mithilfe eines Beleuch tungselements 17, etwa einer LED oder LED-Anordnung, mit deren Hilfe eine Beleuchtung insbesondere in weißer Farbe für eine Farberkennung oder in grü ner Farbe für erhöhten Kontrast ermöglicht wird.

Ein kontinuierlicher Strom der Fluidprobe durch den Beobachtungsraum 15 wird durch eine Peristaltikpumpe 11 in der Probenleitung 5 sichergestellt. Im Vorfeld der Peristaltikpumpe 11 ist ein Druckreduzierer 6 vorgesehen, welcher den Lei tungsdruck der Fluidleitung 1 auf einen für die Peristaltikpumpe 11 geeigneten Eingangsdruck reduziert. Entsprechend wirkt auch ein sich daran anschließen des Regulierventil 7, über welches Fluid aus der Probenleitung 5 in die Sensor wanne 9 abgegeben werden kann. Darüber hinaus kann der Peristaltikpumpe 11 ein Ultrafiltrationsfilter 29 zugeordnet sein, mit dessen Hilfe die Probe auf konzentriert werden kann. Gefiltertes Fluid 30, das mit ausreichender Sicherheit keine kritischen Objekte mehr enthält, wird über einen Abfluss aus dem System abgelassen, während lediglich das Konzentrat 31 an die Peristaltikpumpe 11 weitergeleitet wird. Es reicht somit aufgrund der Aufkonzentrierung aus, ein we sentlich geringes Volumen zu überprüfen als beim Wegfall des Ultrafiltrationsfil- ters 29. Umgekehrt ausgedrückt kann hierdurch bei gleichem Durchfluss durch den Beobachtungsraum ein größeres Fluidvolumen untersucht und dessen Reinheit sichergestellt werden. Mithilfe eines Fluidzählers 32 kann die in den Ultrafiltrationsfilter 29 zugeflossene Fluidmenge bestimmt werden, eine Spüllei tung 33 erlaubt eine Spülung des Ultrafiltrationsfilters 29 im Fall eines verringer ten Durchsatzes.

Der Peristaltikpumpe 11 nachgeschaltet ist ein Feuchtesensor 10, mit dessen Hilfe überprüft werden kann, ob auch Fluid in ausreichender oder erwartbarer Menge aus dem Beobachtungsraum 15 wieder austritt, mithin ob im Vorfeld des Feuchtesensors 10 eine Verstopfung der Probenleitung 5 vorliegt. Im Fall einer Verstopfung erfolgt auch hier eine Alarmierung, so dass bedarfsweise ein ge eigneter Eingriff in das System vorgenommen werden kann. Hinter dem Feuch tesensor 10 tritt das Fluid aus dem System aus und verlässt das Gehäuse 28. Während das zu untersuchende Fluid durch den beleuchteten Beobachtungs raum 15 strömt, werden Bilder davon von der Kamera 18 aufgenommen und zur Echtzeit-Auswertung an einen Prozessrechner 20 übermittelt. Die Bildüber mittlung 24 erfolgt dabei so, dass auch die Bildinformation, wie der Fluidstrom, kontinuierlich und in Echtzeit bereitgestellt wird. Einzelne aufgenommene Bilder sind dabei so angeordnet, dass sie sich um wenigstens 50 % überlappen. Je des Bild wird in dem Prozessrechner 20 einer Bildauswertung mit einer Ob jekterkennung unterworfen, wobei zunächst Objekte in dem Bild detektiert und vermessen werden. Weitere Informationen können über Informationen weiterer Sensoren zugeführt und von dem Prozessrechner 20 berücksichtigt werden. In jedem Fall findet in dem Prozessrechner 20 nur eine Voranalyse statt, welche in einer Art und Weise durchgeführt wird, dass sie in Echtzeit erfolgen kann.

Wenn innerhalb der dem Prozessrechner 20 zur Verfügung stehenden Zeit und mit den ihm zur Verfügung stehenden Möglichkeiten festgestellt wird, dass ein kritisches Objekt oder eine bestimmte Anzahl oder Kombination kritischer Ob jekte in einem Bild auffindbar sind, so wird dieses Bild zunächst in einem Da tenspeicher 21 abgelegt und dann an eine zentrale Datenverarbeitungseinheit 23 übermittelt, welche mit umfangreicheren Möglichkeiten und einem größeren Aufwand eine Feinanalyse an den Bildern durchführt. Messwerte der Sensoren werden dabei mit übermittelt und berücksichtigt.

Wird aufgrund der Feinanalyse, bei welcher ein Bildvergleich und/oder ein Ver gleich von Messwerten wie Breite, Länge, Form, Farbe, Transparenz und ande rer optisch ermittelbarer Eigenschaften und die Beweglichkeit der Objekte mit einer Datenbank verglichen werden, festgestellt, dass die Einschätzung des Prozessrechners 20 hinsichtlich der kritischen Objekte zutreffend ist, also eine kritische Belastung der Fluidprobe auch durch die zentrale Datenverarbeitungs einheit 23 festgestellt, so löst die zentrale Datenverarbeitungseinheit 23 eine Alarmübermittlung 25 an den Prozessrechner 20 aus. Wird hingegen festge stellt, dass entgegen dem Analyseergebnis des Prozessrechners 20 eine kriti sche Belastung nicht vorliegt, so erfolgt eine Ergebnisübermittlung an den Pro zessrechner 20, welcher mittels einer Rücklernfunktion seine Erkennungs genauigkeit weiter verbessert.

Sowohl die Bildübermittlung 24 als auch die Messwertübermittlung 27 erfolgen über eine mit dem Prozessrechner 20 datenverbundene Kommunikationseinheit 22. In der umgekehrten Übertragungsrichtung erfolgt eine Alarmübermittlung 25 oder eine Ergebnisübermittlung 26 von der zentralen Datenverarbeitungseinheit 23 an den Prozessrechner 20.

Trifft ein Alarmsignal bei dem Prozessrechner 20 ein, so reagiert dieser, indem er eine Probenentnahme auslöst. Hierzu lässt er Fluid aus der Probenleitung 5 durch eine Probenentnahmeleitung 12 in einen Probenbehälter 14 einlaufen und sichert somit in kürzester Zeit eine Probe, die dann zur weiteren Analyse in einem Labor abgeholt werden kann. Hierzu werden zunächst mehrere Proben behälter 14 vorgehalten, welche mit einem elastischen Deckel versehen sind. Wird eine Probe entnommen, so wird der Deckel mit einer Kanüle durchbohrt und das Innere des Probenbehälters auf diese Weise mit der Probenentnahme leitung 12 verbunden. Durch das Öffnen eines Dosierventils 13 strömt Fluid in den Probenbehälter 14. Der Füllstand des Probenbehälters 14 wird mit einem Füllstandssensor, etwa einer Lichtschranke, erfasst und es erfolgt eine Mess wertübermittlung 27 an den Prozessrechner 20.

Weitere Messwerte zu der Probe können über eine Sensorwanne 9 ermittelt werden, in welcher ein oder mehrere Sensorarrays vorgehalten sind, welche Eigenschaften aus der Probenleitung abgezweigten Fluids ermitteln und zur Auswertung bereitstellen. Auch von hier erfolgt eine Messwertübermittlung 27 an den Prozessrechner 20. Über Zeitstempel der Messwerte kann der Prozess rechner 20 einen Zusammenhang zwischen Bildern, Proben und Messwerten hersteilen, um so ein vollständiges Bild der verfügbaren Daten bereithalten und bedarfsweise an die zentrale Datenverarbeitungseinheit 23 übermitteln zu kön nen.

Vorstehend beschrieben ist somit ein Verfahren zur Qualitätskontrolle an in ei- ner Fluidleitung strömendem Fluid, welches eine möglichst einfache und kos tengünstige Lösung vor Ort erfordert und die ausführliche Bewertung von Pro ben zwar ermöglicht, aber auf ein Minimum reduziert.

BEZUGSZE ICH ENLISTE

1 Fluidleitung

2 Rückschlagventil

3 Vorfilter

4 Spülleitung

5 Probenleitung

6 Druckreduzierer

7 Regulierventil

8 Abfluss

9 Sensorwanne

10 Feuchtesensor

11 Peristaltikpumpe

12 Probenentnahmeleitung

13 Dosierventil

14 Probenbehälter

15 Beobachtungsraum

16 Feuchtesensor

17 Beleuchtungselement

18 Kamera

19 Vergrößerungselement

20 Prozessrechner

21 Datenspeicher

22 Kommunikationseinheit

23 zentrale Datenverarbeitungseinheit

24 Bildübermittlung

25 Alarmübermittlung

26 Ergebnisübermittlung

27 Messwertübermittlung

28 Gehäuse 29 Ultrafiltrationsfilter

30 gefiltertes Fluid

31 Konzentrat

32 Fluidzähler

33 Spülleitung

34 Probenbehälterkasten

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E

1. Verfahren zur Qualitätskontrolle an in einer Fluidleitung (1 ) strömendem Fluid, insbesondere Trinkwasser, wobei über eine mit der Fluidleitung (1) verbundene Probenleitung (5) eine Fluidprobe in einen mit der Pro benleitung (5) verbundenen Beobachtungsraum (15) eingeleitet wird, mithilfe eines mikroskopischen Bildgebers Bilder der in dem Beobach tungsraum (15) enthaltenen Fluidprobe erfasst und an einen Prozess rechner (20) übermittelt werden, wobei der Prozessrechner (20) an auf gezeichneten Bildern eine Echtzeit-Voranalyse durchführt, welche eine Bildauswertung mit einer Objekterkennung einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessrechner (20) im Fall der Erkennung eines kritischen Objekts im Rahmen der Echtzeit- Voranalyse das betreffende Bild in einem Datenspeicher (21) abspei chert und vermittels einer Kommunikationseinheit (22) an eine zentrale Datenverarbeitungseinheit (23) übermittelt, welche an von dem Pro zessrechner (20) erhaltenen Bildern eine Feinanalyse durchführt, die eine Bildauswertung mit einer Objekterkennung einschließt, und im Fall der Erkennung eines kritischen Objekts im Rahmen der Feinanalyse das betreffende Bild in einem Datenspeicher sichert, sowie bei dem Prozessrechner (20) einen Alarm auslöst, aufgrund dessen der Pro zessrechner (20) die Entnahme einer Fluidprobe aus einer von der Pro benleitung (5) abzweigenden Probenentnahmeleitung (12) in einen Probenbehälter (14) veranlasst.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zent rale Datenverarbeitungseinheit (23) das Ergebnis jeder Feinanalyse an den Prozessrechner (20) übermittelt und der Prozessrechner (20) seine Erkennungsgenauigkeit aufgrund der Ergebnisse der Feinanalyse ver bessert.

3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass der Prozessrechner (20) Mikroplastik-Partikel, Pilze, Sporen organische und anorganische Sedimente, Ein- bis Wenigzeller wie insbesondere Amöben oder Algen und/oder Bakterien als kritische Objekte betrachtet, bei deren Detektion auf einem erfassten Bild der Prozessrechner (20) dieses Bild an die zentrale Datenverarbeitungs einheit (23) und bedarfsweise weitere relevante Rechner oder Überwa chungssysteme übermittelt.

4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass vonseiten der zentralen Datenverarbeitungseinheit (23) ein Alarm ausgelöst wird, wenn während eines Zeitraums keine In formationen von dem Prozessrechner (20) an die zentrale Datenverar beitungseinheit (23) gelangen oder wenn mehr als ein Grenzwert an Bildern von dem Prozessrechner (20) an die zentrale Datenverarbei tungseinheit (23) übermittelt werden, auf denen die zentrale Datenver arbeitungseinheit (23) keine kritischen Objekte ermittelt.

5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass der Alarm drahtlos oder drahtgebunden, insbeson dere per E-Mail, Short Message Service, Pushnachricht, Nachricht auf einem Bussystem oder per Funk zwischen dem Prozessrechner (20) und der Datenverarbeitungseinheit (23) übermittelt wird.

6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass der Bildgeber ein Vergrößerungselement (19), ins besondere eine optische Linsenanordnung, sowie eine Kamera (18) umfasst.

7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass der Bildgeber Bildausschnitte des Beobachtungs- raums (15) in der Größe von zumindest 250 pm x 250 pm und innerhalb eines zumindest 20 pm starken Tiefenbereichs desselben aufnimmt.

8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass der Bildgeber aufeinanderfolgende Bilder um we nigstens 5 %, vorzugsweise um wenigstens 10 %, höchst vorzugsweise um wenigstens 50 % überlappend aufnimmt.

9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Beobachtungsraum (15) aus einem für Licht durchlässigen Material, insbesondere aus Borosilikatglas oder Quarzglas hergestellt ist.

10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Be obachtungsraum (15) von einem Beleuchtungselement (17) mit sichtba rem Licht, vorzugsweise weißem oder grünem Licht, beleuchtet, vor zugsweise hinterleuchtet wird.

11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das Beleuchtungselement (17) den Beobachtungs raum (15) in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen mit einem Lichtblitz beaufschlagt.

12. Verfahren gemäß Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtblitz eine Wellenlänge im Ultraviolettbereich, vorzugsweise zwi schen 250 nm und 380 nm, aufweist.

13. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Fluidprobe als kontinuierlicher Fluidstrom durch den Beobachtungsraum (15) geleitet wird.

14. Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass dem Beobachtungsraum (15) eine Peristaltikpumpe (11), vorzugsweise mit einer steuerbaren oder regelbaren Fördergeschwindigkeit, vorgeschal tet ist.

15. Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die För dergeschwindigkeit zwischen 0,1 mm/min und 20 mm/min, vorzugswei se zwischen 0,5 mm/min und 10 mm/min liegt.

16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekenn zeichnet, dass vermittels eines der Peristaltikpumpe (11) vorgeschalte ten Druckreduzierers (6) und/oder eines Regulierventils (7) in der Pro benleitung (5) ein Arbeitsdruck für die Peristaltikpumpe (11 ) eingestellt wird.

17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekenn zeichnet, dass der Peristaltikpumpe (11) ein Ultrafiltrationsfilter (29) zur Aufkonzentration des in der Probenleitung (5) geführten Fluids zu ei nem Konzentrat (31 ) vorgeschaltet ist.

18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekenn zeichnet, dass der Peristaltikpumpe (11) vorgeschaltet überschüssiges Fluid aus der Probenleitung (5) vermittels eines Abflusses (8) bzw. Überlaufs in eine Sensorwanne (9) abgeleitet wird, wobei der Sensor wanne (9) wenigstens ein Sensor zugeordnet ist, vermittels dessen das abgeflossene oder übergelaufene Fluid untersucht wird.

19. Verfahren gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorwanne (9) ein oder mehrere Sensoren aus der Gruppe Trü bungssensor, pFI-Wert-Sensor, Temperatursensor, Leitfähigkeits sensor, Adenosintriphosphat-Sensor, Fluoreszenz-Sensor, Photo sensor, UV-Sensor, Redox-Sensor, zugeordnet sind, deren Messwerte dem Prozessrechner (20) zur Auswertung und/oder zur Weiterleitung an die zentrale Datenverarbeitungseinheit (23) übermittelt werden.

20. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass vermittels eines eingangs der Probenleitung (5) an geordneten, vorzugsweise rückspülbaren, Vorfilters (3) die Partikelgrö ße in die Probenleitung (5) eingetragener Partikel auf höchstens 80 pm begrenzt wird.

21. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass vermittels eines Rückschlagventils (2) eingangs der Probenleitung (5) ein Rückfluss von Fluid aus der Probenleitung (5) in die Fluidleitung (1 ) verhindert wird.

22. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass ausgangs der Probenleitung (5) vermittels eines Sensors, vorzugsweise eines Feuchtesensors (10), eine Durchflusskon trolle vorgenommen wird.

23. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Probenentnahme über eine der Probenentnah meleitung (12) zugeordnete Kanüle erfolgt, welche zu dessen Befüllung durch einen elastischen Deckel, vorzugsweise aus Gummi, Schaum stoff und/oder Folie, in den Probenbehälter (14) eingestochen wird.

24. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass bei der Probenentnahme eine vorbestimmte Menge an Fluid aus der Probenentnahmeleitung (12) in den Probenbehälter (14) eingeleitet wird.

25. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekenn zeichnet, dass bei der Probenentnahme so lange Fluid aus der Proben entnahmeleitung (12) in den Probenbehälter (14) eingeleitet wird, bis ein Füllstandssensor, vorzugsweise eine Lichtschranke, auslöst.

26. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Überwachung und Probenentnahme in einem Gehäuse (28) angeordnet sind, welches vermittels eines einem Parti- kel- und Schwebstofffilter, insbesondere einem HEPA (High Efficiency

Particulate Air)-Filter, nachgeschalteten Gebläses unter Erhaltung eines permanenten Überdrucks belüftet wird.

27. Verfahren gemäß Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass einzel nen Komponenten innerhalb des Gehäuses (28), insbesondere die Probenentnahme, der Prozessrechner (20) und der Bildgeber, jeweils als gekapselte Steckmodule ausgeführt sind.

28. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekenn- zeichnet, dass elektrische Module oberhalb sämtlicher Fluidleitungen, insbesondere der Probenleitung (5) und der Probenentnahme, ange ordnet sind.

29. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekenn zeichnet, dass in dem Gehäuse (28) auftretende Leckagen fluidführen der Elemente mithilfe eines in einem Bodenbereich des Gehäuses (28) angeordneten Feuchtesensors (16) festgestellt werden.