DE102023133005A1

DE102023133005A1 - Optische Messanordnung zur Bestimmung einer Messgröße in Wasser

Info

Publication number: DE102023133005A1
Application number: DE102023133005.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bayer; Thilo KRÄTSCHMER
Original assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2023-11-27
Filing date: 2023-11-27
Publication date: 2025-05-28
Also published as: US20250172497A1; CN120044007A

Abstract

Die Erfindung offenbart ein Optische Messanordnung (1) zur Bestimmung einer Messgröße in Wasser (3), umfassend zumindest eine Lichtquelle (2), die Anregungslicht (8) ins Wasser (3) in Richtung Wasseroberfläche (6) sendet, wobei das Anregungslicht (8) im Wasser (3) und an der Wasseroberfläche (6) in Fluoreszenzlicht (9) gewandelt wird; zumindest eine Fotodiode (4), welche das Fluoreszenzlicht (9) aus dem Wasser (3) und von der Wasseroberfläche (6) empfängt und in ein elektrisches Signal wandelt; und eine Datenverarbeitungseinheit (10), welche aus dem elektrischen Signal die Messgröße bestimmt.
Die Erfindung offenbart auch ein entsprechendes Verfahren.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Messanordnung zur Bestimmung einer Messgröße in Wasser, insbesondere zur Bestimmung des Öl-in-Wasser-Gehalts.
Sowohl Wasser in technischen Anlagen (z.B. Schiffsabgaswäsche) als auch natürliche Oberflächengewässer können unter anderem mit Öl oder Plastikpartikeln verunreinigt sein. Eine bekannte Möglichkeit, derartige Kontamination messtechnisch zu erfassen, ist die Fluoreszenzmessung. Insbesondere durch UV-Fluoreszenz lässt sich beispielsweise der Gehalt von polyaromatischen zyklischen Kohlenwasserstoffen quantitativ bestimmen. Je nach Vorbehandlung, Vorhandensein von Lösungsvermittlern oder Schwebepartikeln und abhängig von Turbulenzen in der Flüssigkeit befindet sich das zu messende Medium, insbesondere Öl, entweder im Volumen der Flüssigkeit verteilt oder es schwimmt zumindest teilweise an der Oberfläche auf.
Allerdings messen verfügbare Fluoreszenzsensoren entweder im Flüssigkeitsvolumen oder sind von oben auf Wasseroberflächen gerichtet. Der Fluoreszenzsensor „CFS51“ der Endress+Hauser-Gruppe ist geeignet für die Schiffsabgasreinigung und ist eingebaut in eine Durchflussarmatur oder ist eingetaucht in ein Becken, Gerinne, Fluss oder ins Meer. Andere Fluoreszenzsensoren sind optional erhältlich mit einem Schwimmer für die Messung parallel unter der Wasseroberfläche oder direkt an der Wasseroberfläche.
Aktuelle Messprinzipien detektieren also den Analyten entweder im Volumen oder an der Oberfläche, nicht aber beides zugleich. So detektieren gewöhnliche Eintauchsensoren die Fluoreszenz im Volumen, können aber beispielsweise an der Oberfläche schwimmende Öltröpfchen nicht erfassen. Sensoren für die Oberflächenmessung sind weniger empfindlich auf Stoffe, die im Volumen verteilt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, fluoreszierende Analyten in Wasser zuverlässiger und mit höherer Empfindlichkeit zu detektieren.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein optische Messanordnung zur Bestimmung einer Messgröße in Wasser, insbesondere zur Bestimmung des Öl-in-Wasser-Gehalts, des Gehalts von Mikroplastik oder des Gehalts an Algen; die Anordnung umfassend zumindest eine Lichtquelle, die Anregungslicht ins Wasser in Richtung Wasseroberfläche sendet, wobei das Anregungslicht im Wasser und an der Wasseroberfläche in Fluoreszenzlicht gewandelt wird; zumindest eine Fotodiode, welche das Fluoreszenzlicht aus dem Wasser und von der Wasseroberfläche empfängt und in ein elektrisches Signal wandelt; und eine Datenverarbeitungseinheit, welche aus dem elektrischen Signal die Messgröße bestimmt.
Durch die beanspruchte Anordnung ergibt sich ein von unten nach oben gerichteter Fluoreszenzsensor, welche unmittelbar unterhalb der Wasseroberfläche angeordnet sein kann, um Öl, Mikroplastik oder Algen im Flüssigkeitsvolumen und gleichzeitig an der Oberfläche zu detektieren. Dabei kann Totalreflexion an der Flüssigkeitsoberfläche genutzt werden, um die Sensitivität des Messsystems zu verbessern. Die beanspruchte Anordnung beschreibt also die Möglichkeit, fluoreszierende Stoffe gleichzeitig im Flüssigkeitsvolumen und an der Oberfläche zu detektieren.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Lichtquelle, die Fotodiode und die Datenverarbeitungseinheit in einem Gehäuse angeordnet sind und die Lichtquelle und Fotodiode über ein gemeinsames oder jeweils ein einzelnes optisches Fenster in optischem Kontakt mit dem Wasser sind.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Lichtquelle und die Fotodiode unterhalb der Wasseroberfläche angeordnet sind.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Lichtquelle und die Fotodiode im Wasser angeordnet sind.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Einstrahlwinkel des Anregungslichts ins Wasser so ausgestaltet ist, dass sich an der Wasseroberfläche Totalreflexion ergibt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Abstand von Lichtquelle und Fotodiode zur Wasseroberfläche variabel ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Einstrahlwinkel des Anregungslichts und/oder der Detektionswinkel des Fluoreszenzlichts variabel ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Anordnung einen oder mehrere Schwimmkörper umfasst, welche die Messanordnung in einem definierten Abstand zur Wasseroberfläche halten, wobei der Schwimmkörper außerhalb der Messanordnung angeordnet ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Messanordnung zumindest eine Schwimmblase umfasst, welche die Messanordnung in einem definierten Abstand zur Wasseroberfläche hält, wobei die Schwimmblase in der Messanordnung angeordnet ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Messanordnung eine Wanne mit einem Zufluss und einem Abfluss für das Wasser umfasst, wobei die Lichtquelle und die Fotodiode in der Wanne angeordnet sind.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Messanordnung eine Wanne mit einem Zufluss und einem Abfluss für das Wasser umfasst, wobei die Lichtquelle und die Fotodiode außerhalb der Wanne angeordnet sind.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren umfassend die Schritte: Senden von Anregungslicht ins Wasser in Richtung der Wasseroberfläche, wobei das Anregungslicht im Wasser und an der Wasseroberfläche in Fluoreszenzlicht gewandelt wird; Empfangen des Fluoreszenzlichts aus dem Wasser und von der Wasseroberfläche; Wandeln des Fluoreszenzlichts in ein elektrisches Signal; und Bestimmen der Messgröße aus dem elektrischen Signal.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch die Verwendung einer Messanordnung wie oben beschrieben zur Bestimmung des Öl-in-Wasser-Gehalts.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch die Verwendung einer Messanordnung wie oben beschrieben zur Bestimmung des Gehalts von Mikroplastik.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch die Verwendung einer Messanordnung wie oben beschrieben zur Bestimmung des Gehalts von Algen.
Dies wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert.

1 zeigt eine Übersicht über die beanspruchte Messanordnung.
2 zeigt die beanspruchte Messanordnung in einer Ausgestaltung.
3 zeigt die beanspruchte Messanordnung in einer Ausgestaltung.
4a/b zeigen die beanspruchte Messanordnung je in einer Ausgestaltung.

In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die beanspruchte Messanordnung in ihrer Gesamtheit hat das Bezugszeichen 1 und ist in 1 dargestellt.
Die Messanordnung 1 umfasst eine Lichtquelle 2, eine Fotodiode 4 und eine Datenverarbeitungseinheit 10. Die Messanordnung 1 wird im Folgenden auch als „Sensor“ bezeichnet.
Bei dem Sensor handelt es sich um einen Fluoreszenzsensor. Bei der Fluoreszenzmessung bestrahlt man in der Regel das Medium (hier: Wasser) mit einem kurzwelligen Anregungslicht 8 und detektiert das vom Medium erzeugte längerwellige Fluoreszenzlicht.
Die Lichtquelle 2 strahlt Anregungslicht 8 in das zu messende Medium 3, also Wasser, wobei das Anregungslicht 8 durch das Wasser 3 in Fluoreszenzlicht 9 gewandelt wird. Das Fluoreszenzlicht 9 wird empfangen von einer Fotodiode 4 und in ein elektrisches Signal gewandelt, beispielsweise über die Intensität, Abklingkurve oder Phase.
Die Lichtquelle 2 ist beispielsweise eine UV-Lichtquelle, die Licht mit einer Wellenlänge von 200-400 nm aussendet. Die Lichtquelle 2 ist beispielsweise als UV-Blitzlampe ausgestaltet. Die Lichtquelle 2 kann auch als LED ausgestaltet sein. Die UV-Blitzlampe emittiert im Spektralbereich von UV bis IR. Je nach Anwendung wird die Lichtquelle 2 entsprechend ausgestaltet. Für die Anwendung zur Bestimmung des Gehalts an Algen sendet die Lichtquelle 2 im UVNIS-Bereich (200-800 nm). Die Anordnung umfasst im Strahlengang nach der Lichtquelle auch andere optische Bauteile, etwa ein Filter, der nur die gewünschten Wellenlängen der Fluoreszenzemission des zu messenden Analyten transmittiert, oder ein oder mehrere Linsen. Die Blitzlampe strahlt dann mit dem Filter zusammen nur die gewünschte Anregungswellenlänge aus. Entsprechende Bauteile sind auch auf der Empfängerseite, bei der Fotodiode 4, angeordnet.
Die Lichtquelle 2 und die Fotodiode 4 sind mit einer Datenverarbeitungseinheit 10 (etwa ein Mikrocontroller) verbunden, welche aus dem elektrischen Signal die zu bestimmende Messgröße, also etwa den Öl-in-Wasser Gehalt, den Anteil des Mikroplastiks im Wasser oder der Gehalt an Algen, bestimmt. Das Bestimmen dieser Messgröße erfolgt mittels eines Kalibriermodells, welches beispielsweise aus der Fluoreszenzintensität die Konzentration ermittelt.
Die Lichtquelle 2, die Fotodiode 4 und die Datenverarbeitungseinheit 10 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 5 angeordnet, wobei die Lichtquelle 2 und die Fotodiode 4 über ein gemeinsames oder jeweils ein eigenes optisches Fenster 7 in optischem Kontakt mit dem Wasser 3 sind.
Um gleichzeitig im Volumen des Wassers 3 und an der Oberfläche 6 sensitiv für den Analyten zu sein, wird sowohl Anregungslicht 8 also auch Fluoreszenzlicht 9 unter einem bestimmten Winkel α bzw. β von unten gegen die Wasseroberfläche 6 gesendet bzw. empfangen. Je nach genauer Anordnung kann das Verhältnis zwischen der Sensitivität an der Oberfläche und im Volumen eingestellt werden. Die Lichtquelle 2 sendet somit durch das Medium 3 in Richtung der Wasseroberfläche 6. Das Anregungslicht 8 wird sowohl im Wasser 3 als auch an dessen Oberfläche 6 in Fluoreszenzlicht 9 gewandelt. Die Lichtquelle 2 sendet Anregungslicht 8 im Wesentlichen entgegen der Schwerkraft (auch wenn diese selbstredend keinen Einfluss hat). „Unten“ im Sinne dieser Schrift ist also auf dem Grund des Wassers, „oben“ hingegen an der Oberfläche.
Die Lichtquelle 2 und die Fotodiode 4 sind somit unterhalb der Wasseroberfläche 6 angeordnet.
Die 1-3 und 4b zeigen eine Ausgestaltung bei der die Lichtquelle 2 und die Fotodiode 4 (samt Datenverarbeitungseinheit 10 und Gehäuse 5) im Wasser 3 angeordnet sind.
Da generell das Fluoreszenzlicht in alle Raumrichtungen abgestrahlt wird, können die Lichtpfade von Anregungslicht 8 und Fluoreszenzlicht 9 prinzipiell in jedem beliebigen Winkel zueinanderstehen.
Wenn der Winkel α der und/oder der Winkel β der Detektion entsprechend klein gewählt wird, führt die Totalreflexion an der Wasseroberfläche 6 dazu, dass deutlich mehr Volumen angeregt bzw. detektiert wird, was die Empfindlichkeit des Systems signifikant verbessert. Der genaue Wert für den Grenzwinkel, an dem Totalreflexion auftritt, ist abhängig von der Wellenlänge. Er beträgt im UV-Bereich etwa 42°.
Bei einer Ausgestaltung der Messanordnung 1 ist der Abstand d von der Lichtquelle 2 und der Fotodiode 4 zur Wasseroberfläche 6 variabel. Der optimale Abstand hängt von verschiedenen Parametern ab, etwa der Größe des Messgeräts und von den Winkeln des Strahlengangs. In einer Ausgestaltung variiert der Abstand d im Zentimeterbereich, etwa von 1-10 cm. In einer Ausgestaltung variiert der Abstand d von einigen Millimeter bis hin zu wenigen Centimetern etwa 10 cm. Ein Abstand bis hin zu einem Meter ist möglich.
Die Messanordnung 1 kann auch mit (automatisch) verfahrbarem Detektor ausgestattet werden, um die Verteilung des Analyten zwischen Oberfläche und Volumen zu bestimmen. Ebenso kann der Einstrahlwinkel α oder der Reflexionswinkel β variabel sein.
In den 2-4 sind lediglich die Unterschiede bzw. Ergänzungen zu 1 mit Bezugszeichen markiert.
2 zeigt eine Ausgestaltung mit zwei Schwimmkörpern 11, sie außerhalb der Messanordnung 1 angeordnet sind. Es kann auch nur ein einzelner verwendet werden. Der Schwimmkörper 11 ist über Stege mit der Anordnung 1 verbunden und hält diese in definierten Abstand unter Wasser.
3 zeigt eine Ausgestaltung mit einer Schwimmblase 12, welche im Gehäuse 5 angeordnet ist. Auch diese hält die Anordnung 1 in definiertem Abstand unter der Wasseroberfläche 6. Die Schwimmblase kann in einer Ausgestaltung mit Luft oder Wasser gefüllt werden, sodass eine Verfahrbarkeit der Anordnung 1 möglich ist.
In beiden Fällen sorgt eine kontinuierliche Verfahrbarkeit der Messanordnung 1 relativ zur Oberfläche 6 dafür, dass ein Tiefenprofil der Analytkonzentration bestimmbar ist.
Die 4a und 4b zeigen eine Ausgestaltung mit einer Wanne 13 mit einem Zufluss 14 und einem Abfluss 15 für das Wasser 3. Auch hier misst die Anordnung von unten nach oben in Richtung der Wasseroberfläche 6. Durch den Zufluss 14 kann der Abstand d von der Anordnung 1 zur Oberfläche eingestellt werden. 4a zeigt eine Ausgestaltung bei der die Lichtquelle 2 und die Fotodiode 4 (im Gehäuse 5) in der Wanne 13 angeordnet sind. 4b zeigt eine Ausgestaltung, bei der diese außerhalb der Wanne 13 angeordnet sind. Die oder das optische Fenster 7 sind/ist dann Teil der Wanne 13.
In einer Ausgestaltung ist die Messanordnung 1 an einer Schnur, Seil, Kabel o.ä. festgemacht und kann händisch oder automatisch im Wasser 3 hoch und runtergelassen werden, um den Abstand zur Wasseroberfläche 6 zu verändern.
Bezugszeichenliste

1: Messanordnung
2: Lichtquelle
3: Wasser
4: Fotodiode
5: Gehäuse
6: Wasseroberfläche
7: optisches Fenster
8: Anregungslicht
9: Fluoreszenzlicht
10: Datenverarbeitungseinheit
11: Schwimmkörper
12: Schwimmblase
13: Wanne
14: Zufluss
15: Abfluss
d: Abstand von 1 zu 6
α: Einstrahlwinkel des Anregungslicht zu 6
β: Reflexionswinkel des Anregungslicht an 6

Claims

Optische Messanordnung (1) zur Bestimmung einer Messgröße in Wasser (3), insbesondere zur Bestimmung des Öl-in-Wasser-Gehalts oder des Gehalts von Mikroplastik, die Anordnung umfassend - zumindest eine Lichtquelle (2), die Anregungslicht (8) ins Wasser (3) in Richtung Wasseroberfläche (6) sendet, wobei das Anregungslicht (8) im Wasser (3) und an der Wasseroberfläche (6) in Fluoreszenzlicht (9) gewandelt wird; - zumindest eine Fotodiode (4), welche das Fluoreszenzlicht (9) aus dem Wasser (3) und von der Wasseroberfläche (6) empfängt und in ein elektrisches Signal wandelt; und - eine Datenverarbeitungseinheit (10), welche aus dem elektrischen Signal die Messgröße bestimmt.
Messanordnung (1) nach Anspruch 1, wobei Lichtquelle (2), Fotodiode (4) und Datenverarbeitungseinheit (10) in einem Gehäuse (5) angeordnet sind und die Lichtquelle (2) und Fotodiode (4) über ein gemeinsames oder jeweils ein einzelnes optisches Fenster (7) in optischem Kontakt mit dem Wasser (3) sind.
Messanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lichtquelle (2) und die Fotodiode (4) unterhalb der Wasseroberfläche (6) angeordnet sind.
Messanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Lichtquelle (2) und die Fotodiode (4) im Wasser (3) angeordnet sind.
Messanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Einstrahlwinkel des Anregungslichts (8) ins Wasser (3) so ausgestaltet ist, dass sich an der Wasseroberfläche (6) Totalreflexion ergibt.
Messanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Abstand von Lichtquelle (2) und Fotodiode (4) zur Wasseroberfläche (6) variabel ist.
Messanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Einstrahlwinkel (α) des Anregungslichts (8) und/oder der Detektionswinkel (β) des Fluoreszenzlichts (9) variabel ist.
Messanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend einen oder mehrere Schwimmkörper (11), welche die Messanordnung (1) in einem definierten Abstand (d) zur Wasseroberfläche (6) halten, wobei der Schwimmkörper (11) außerhalb der Messanordnung (1) angeordnet ist.
Messanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend zumindest eine Schwimmblase (12), welche die Messanordnung (1) in einem definierten Abstand (d) zur Wasseroberfläche (6) hält, wobei die Schwimmblase in der Messanordnung (1) angeordnet ist.
Messanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend eine Wanne (13) mit einem Zufluss (14) und einem Abfluss (15) für das Wasser (3), wobei die Lichtquelle (2) und die Fotodiode (4) in der Wanne (13) angeordnet sind.
Messanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend eine Wanne (13) mit einem Zufluss (14) und einem Abfluss (15) für das Wasser (3), wobei die Lichtquelle (2) und die Fotodiode (4) außerhalb der Wanne (13) angeordnet sind.
Verfahren zur Bestimmung einer Messgröße in Wasser (3), umfassend die Schritte: - Senden von Anregungslicht (8) ins Wasser (3) in Richtung der Wasseroberfläche (6), wobei das Anregungslicht (8) im Wasser (3) und an der Wasseroberfläche (6) in Fluoreszenzlicht (9) gewandelt wird; - Empfangen des Fluoreszenzlichts (9) aus dem Wasser (3) und von der Wasseroberfläche (6); - Wandeln des Fluoreszenzlichts (9) in ein elektrisches Signal; und - Bestimmen der Messgröße aus dem elektrischen Signal.
Verwendung einer Messanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Bestimmung des Öl-in-Wasser-Gehalts, des Gehalts von Mikroplastik oder des Gehalts von Algen.