DE3038107A1 - Verfahren und vorrichtung zur beruehrungsfreien ermittlung von oel auf wasser - Google Patents

Description

• BESCHREIBUNG:
• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur berührungsfreien, qualitativen und quantitativen Ermittlung von öl auf der Oberfläche von Wasser, indem die Oberfläche an der Meßstelle mit einer die Fluoreszenz der möglichen Ulgruppe anregenden, ultravioletten Lichtquelle bestrahlt und das von der hierdurch geschaffenen sekundären Lichtquelle ausgestrahlte Licht fotoelektrisch empfanqen wird.
• Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
• Im Interesse der Reinhaltung der Gewässer liegt es, zu einem möglichst frühen Zeitpunkt eventuell auf der Wasseroberfläche befindliches öl zu erkennen. Hierfür wird eine Möglichkeit der eingangs beschriebenen Art von J.F. Fantasia und H.C. Ingrao in "The Development of an Experimental Airborne Laser Oil Spill Remote Sensing System", US Enviromental Protection Agency, EPA/R 2/72/039, August 1972, Cincinnati / Ohio beschrieben. Danach soll auf Meerwasser schwimmendes öl durch Strahlung mit einem Laserstrahl von einem Flugzeug aus fluoreszierend angeregt werden, wobei die von der somit geschaffenen sekundären Lichtquelle ausgehende ungerichtete Strahlung durch spektrale Intensitätsermittlung analysiert wird, so daß auch in begrenztem Ausmaß unterschiedliche öl sorten identifiziert werden können.
• Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine zu dessen Durchführung geeignete Vorrichtung zu schaffen, womit auf Wasser schwimmendes öl auch in geringsten Spuren festgestellt werden kann, so daß die Meßwerte im Rahmen eines Warnsystems Verwendung finden können. Dabei soll das System mit geringem Aufwand installiert werden können, so dafZ es sich an einer möglichst großen Zahl von Stellen einsetzen läßt, um eine großflächige überwachung vornehmen zu können. Der Einbau soll in Schächten, Bojen, Kanälen und zahlreichen weiteren, der Beobachtung sonst nur schwer zugänglichen Steilen möglich sein.
• Insbesondere soll die Messung nicht nur einen qualitativen Aufschluß über die Art des auf der Oberfläche befindlichen öls geben, sondern zusätzlich eine wenigstens angenäherte Aussage über die Dicke der betreffenden öl schicht vermitteln. Störeinflüsse, wie sie von ungewollten Lichtreflexen und gegebenenfalls anderen Verunreinigungen ausgehen, sollen dabei verinieden werden.
• Gelöst wird diese Aufgabenstellung durch den Vorschlag gemäß dem Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1, der seinerseits durch die Vorschläge nach den Unteransprüchen in vorteilhafter Weise weiterentwickelt wird.
• Auf diese Weise lassen sich zunächst Störeinflüsse bei der Untersuchung des reflektierten Lichtes wirkunosvoll verhindern. Direkte Spiegelungen voneinfallendem Störlicht die in einem Strahlung<-empfänger wegen ihrer Intensität die eigentlichen Meßwerte nicht nur überlagern, sondern sogar verfälschen würden, sind somit ausgeschlossen. Die Differenzierung in der Auswertung der gerichteten Strahlung und der ungerichteten Strahlung ermöglicht gleichzeitig eine Aussage über die Qualität bzw. die Art des auf der Wasseroberfläche befindlichen öls und eine zumindest angenäherte Angabe über die Schichtdicke und damit die Menge, sofern entsprechend ausgedehnte Bereiche der Wasseroberfläche von der Messung erfaßt werden. Zwar dringt die UV-Strahlung nicht sehr tief in öl schichten ein, doch breiten sich letztere auf Wasseroberflächen bekanntlich in kürzester Zeit beträchtlich aus, so daß ohnehin keine stärkeren Schichtbildungen möglich sind. Maßgeblich für eine angenäherte quantitative Erfassung ist die Duchführung der Messung an möglichst vielen Stellen der Wasseroberfläche, was zugleich der Forderung nach einer umfassenden überwachung entspricht.
• Der erfindungsgemäße Vorschlag ermöglicht lnsbesondere die Verwendung einer UV-Kolbenlampe zur Bestrahlung, um von der angeregten Fluoreszenzstrahlung die Intensität zu erfassen. Eine Kolbenlampe hat gegenüber einer Leuchtstofflampe den Vorteil, fokussierbar zu sein, so daß die Strahlung durch ein lichtoptisches System auch aus größeren Entfernungen die Erfassung des Fluoreszenzlichtes ermöglicht.
• Zur Verwendung von reflektiertem Licht und Fluoreszenzlicht ist demgegenüber die Beleuchtung mittels einer Leuchtstofflampe zweckmäßiger Als Kolbenlampe eignet sich insbesondere eine Quecksilberhochdruck-bzw. -höchstdrucklampe, deren Emissionsbereich zwischen 320 bis 40 nm liegt. Ein derartiger Emissionsbereich ist insofern besonders günstig, als er in der vorgeschlagenen Weise die Verwendung eines Filters gestattet, das die Fluoreszenzstrahlung optischer Aufheller ii Bereit von 360 bis 380 nm stark vermindert. Somit wird also nicht nur die Reflexionsstrahlung in der gewünschten Weise verringert, sondern auch der Störeinfluß von anderen, im Wasser befindlichen Stoffen herabgesetzt.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Untersuchung bei welliger Wasseroberfläche durchgeführt; dies führt einerseits für die Augenblicke der Relfexion zu Spitzenwerten und andererseits zu einem Grundwert. Somit lassen sich die Spitzenwerte aus der reflektierten Intensität und die Grundwerte der Fliioreszenzintensität verwenden. Die sonst sehr störende Bewegung der Wasseroberfläche wird demgemäß in das Meßverfahren einbezogen.
• Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung sieht die Messung der spektralen lntensitatsverteilung in einem scismalen Wellenlängen bereich von 385 bis 395 nm vor. Dieser Bereich läßt eine ausreichende Differenzierung von einzelnen öl gruppen zu, wohingegen andererseits die Störstrahlung von Aufhellern gerade in diesem Bereich besonders niedrig ist.
• Die zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht vor allem die weitreichende Ausschaltung von Störeinflüssen. So sieht der Patentanspruch 7 neben der Anordnung der optoelektronischen Einrichtungen die Verwendung einer Lochscheibe vor, welche es gestattet, die einfallende UV-Strahlunq zu modulieren, indem die Lochscheibe mit einer bestimmten Drehzahl anyetrieben wird. Die Lochzahl erlaubt dann die Bestrahlung mit einer Frequenz von z.B. 590 Hz, welche von anderen, eventuell störenden Frequenzen, wie der Netzfrequenz mit 50 Hz, einen erheblichen Abstand hat. Somit läßt sich der von anderen Lichtquellen ausgehende Einfluß praktisch ausschalten.
• Nach dem Vorschlag des Anspruchs 8 kann an die Stelle der mechanisch wirkenden Lochscheibe eine elektronische Anordnung treten, indem ein Pulsgenerator den Betrieb der UV-Lampe über einen Lcistungsverstärke." steuert.
• In beiden Fällen wird die Strahlung mittels einer Resonanzfilterschaltung und einem Demodulator empfangen, so daß bezüglich Frequenz und Phase eine Obereinstimmung zwischen der Strahlung aus der Oberfläche und dem Ansprechen des Empfängers besteht. Eine Fiemdstrahlung von abweichender Frequenz und Phase kann das Ergebnis nicht verfälschen.
• Um eine gleichmäßige Betriebsweise der Meßanordnung sicherzustellen, wird im Gehäuse des Fotoeletronen-Vervielfachers nach einem weitere: Merkmal der Erfindung eine Leuchtdiode eingebaut, die mit pulsierendem Gleichstrom von gegenüber der UV-Bestrahlung unterschiedlicher Frequenz gespeist ist. Somit kann der Fotoelektronen-Vervielfacher getrennt vom Meßsignal für das öl das Signal der Leuchtdiode als Eichsignal empfangen. Alterungserscheinungen und Temperatureinflüsse werden bei der Leuchtdiode dadurch ausgeglichen, daß ihr Speisestrom so geregelt wird, daß sie immer mit gleicher mittlerer Helligkeit strahlt.
• Für die Beleuchtung mit einer UV-Lampe wird zweckmäßig ein bis 360 nm durchlässiges Filter verwendet, während dem Fotoelektronen-Vervielfacher ein ab 408 nm durchlässiges Filter vorgeschaltet ist.
• Auf diese Weise wird nicht nur mit Sicherheit die Meßwertverfätschung durch direkt reflektiertes UV-Licht vermieden, sondern gleichfalls der Einfluß anderer Verunreinigungen im Wasser, wie vor allem der Einfluß von Blancophoren, verringert.
• Zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung wird auf die sich auf Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen Bezug genommen.
• Darin zeigen: Figur 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung, während Figur 2 eine abgewandelte erfindungsgemäße Ausführungsform darstellt.-Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform unterliegt das von der UV-Lampe 5 ausgehende Licht der Modulation durch eine Lochscheibe 8, deren Antriebsdrehzahl und Lochzahl so abgestimmt sind, daß die Modulationsfrequenz 590 Hz beträgt. Die auf die Oberfläche 4 des ölverunreinigten Wassers einfallende UV-Strahlung bewirkt dort die Anregung zur Fluoreszenz. Mittels des Objektives 13 läßt sich die von der somit geschaffenen sekundären Lichtquelle ausgehende Strahlung auf den Fotoelektronen-Vervielfacher 1 fokussieren, nachdem das Filter 12 zunächst den von der UV-Lampe emittierten Wellenlängenbereich herabgesetzt hat, so daß praktisch nur angeregtes Licht zur Auswertung kommt. Die Resonanzfilterschaltung 2 und der Demodulator 3 stimmen den Empfänger auf die Frequenz und Phase des eingestrahlten UV-Lichtes ab, so daß dem vom Schreiber 14 angezeigten Meßwert stets ein Meßsignal zugrunde liegt, welches der tatsächlich beabsichtigten Einstrahlung eintspricht.
• Gemäß Figur 2 steuert der Pulsgenerator 1 über der Leistungsverstärker den Betrieb der UV-Lampe 5. Aul3erdem steuert der Pulsgenerator 7 die frequenz- und phasenabhangige Filterschaltung 9, die vom Fotoeiektronen-Vervielfacher 1 gespeist wird.
• Nach der Demodulation und Verstärkung im Bauteil 10 wird das Signal auf den Schreiber 14 übertragen. Das Filter 11 schaltet längerwelliges Licht als 360 m der UV-Lampe 5 aus, so daß die von der Oberfläche 4 ausgehende und im Objektiv ~! fokussierte Strahlung bereits weitgehend von der direkten Reflexion der UV-Lampe 5 frei ist. Das ab 408 ni durchlässige optische Filter 12 zwischen Objektiv 13 und Fotoelektronen-Vervielfacher 1 schaltet nicht nur die verbleibende Reflexionsstrahlung der UV-Lampe 5, sondern zusätzlich noch den Einiluß von im Wasser enthaltenen Blancophoren praktisch dus.

Claims (10)

1. Verfahren und Vorrichtung zur berührungsfreien Ermittlung von Ul auf Wasser PATENTANSPROCHE: 1. Verfahren zur berührungsfreien, qualitativen und quantitativen Ermittlung von U1 auf der Oberfläche von Wasser, indem die Oberfläche an der Meßstelle mit einer die Fluoreszenz der möglichen ölgruppe anregenden, ultravioletten Lichtquelle bestrahlt und das von der hierdurch geschaffenen sekundären Lichtquelle ausgestrahlte Licht fotoelektrisch empfangen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Oberfläche reflektierte, durch das UV-Licht der ultravioletten Lichtquelle im wesentlichen sperrende Filter geführte Strahlung einerseits und die von der Fluoreszenz herrührende Oberflächenstrahlung andererseits dem fotoelektrischen Empfänger beaufschlagt werden, wobei von der ungerichteten Fluoreszenzstrahlung die Gesamtintensität erfaßt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Messung der Itensität der ungerichteten Strahlung eine fokussierbare UV-Kolbenlampe verwendet wird.
3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Untersuchung der Strahlung die Beleuchtung mittels einer UV-Leuchtstofflampe vorgenommen wird.
4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als UV-Kolbenlampe eine Quecksilber-Hochdrucklampe mit einem Emissionsbereich von 320 bis 400 nm verwendet wird.
5. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Untersuchung bei welliger Wasseroberfläche durchgeführt wird, wobei die Spitzenwerte in Beziehung zu den Grundwerten für die Gesamt-Intensitätsmessung gesetzt werden.
6. 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die spektrale Intensitätsmessung im Wellenlängenbereich von 385 bis 395 nm erfolgt.
7. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die von einer UV-Lampe (5) ausgehende Strahlung eine Lochscheibe (8) zur Modulation und für den Empfang zunächst ein für die UV-Strahlung im wesentlichen undurchlässiges Filter (12) und dann ein Fotoelektronen-Vervielfacher (1) vorgesehen sind, an den sich eine Resonanzfilterschaltung (2) und ein Demodulator (3) anschließen.
8. 8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrieb einer zur Bestrahlung der Oberfläche (4) vorgesehenen UV-Lampe (5) von einem Pulsgenerator (7) über einen Leistungsverstärker (6) gesteuert ist, wobei der Pulsgenerator (7) gleichfalls eine sich an den als Empfänger vorgesehenen Fotoelektronen-Vervielfacher (1) anschließende, frequenz- und phasenabhängige Filterschaltung (9) steuert, der ein Demodulator und Verstärker (10) nachgeschaltet sind, wobei dem Empfänger ein für die UV-Strahlung im wesentlichen undurchlässiges Filter (12) vorgeschaltet ist.
9. 9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet daß der Fotoelektronen-Vervielfacher (1) der Einstrahlung einer in seinem Gehäuse eingesetzten Leuchtdiode zur Empfindlichkeitsregelung ausgesetzt ist, die mit pulsierendem Gleichstrom von gegenüber der UV-Bestrahlung unterschiedlicher Frequenz yespeist ist.
10. 10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der UV-Lampe (5) ein bis 360 nm durchlässiges Filter (all) nachgeschaltet ist, während das dem Fotoelektronen-Vervielfacher (1) vorgeschaltete Filter (12) ab 408 nm durchlässig ist.