DE29700253U1 - Monitoring device - Google Patents
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Description
ÜberwachungseinrichtungMonitoring device
Die Erfindung bezieht sich auf eine Überwachungseinrichtung zum Erkennen von Stoffen mit fluoreszierenden Substanzen auf Oberflächen von Flüssigkeiten oder Festkörpern, mit Lichtquelle und Empfänger für von einer fluoreszierenden Substanz reflektiertes, von der Lichtquelle ausgesandtes Licht.The invention relates to a monitoring device for detecting substances with fluorescent substances on surfaces of liquids or solids, with a light source and receiver for light reflected by a fluorescent substance, emitted by the light source.
Es ist bereits bekannt, zum Beispiel bei Prüfgeräten zur Überwachung von Öl auf einer Wasseroberfläche, als Lichtquelle eine im .Ultraviolett-Bereich abstrahlende Leuchtstoffröhre zu verwendet. Die Wellenlänge des abgestrahlten Lichtes beträgt PlO hierbei etwa 3 60 nm. Im Ultraviolettbereich weisen diese Leuchtstoffröhren die für den Betrieb ausreichende, notwendige Lichtintensität auf.It is already known, for example in test devices for monitoring oil on a water surface, to use a fluorescent tube that emits light in the ultraviolet range as a light source. The wavelength of the emitted light is approximately 360 nm. In the ultraviolet range, these fluorescent tubes have the light intensity necessary for operation.
Zur Lichtstrahlerzeugung ist bei der Ultraviolett (UV)-Röhre eine lichtdichte Ummantelung mit einer mittigen Austrittsöffnung
vorgesehen. Bei der Austrittsöffnung sind zur Vermeidung von Streulicht Seitenblenden angeordnet und zur Fokussierung ist noch
eine Optik, insbesondere eine' Sammellinse vorgesehen.
Diese durch die Bauform der UV-Röhre bedingten Maßnahmen zur Strahlerzeugung und Bündelung sind vergleichsweise aufwendig und
reduzieren den Wirkungsgrad erheblich. So steht für den auf den Spiegel auftreffenden Lichtstrahl nur etwa ein Fünftel derTo generate the light beam, the ultraviolet (UV) tube is provided with a light-tight casing with a central exit opening. Side baffles are arranged at the exit opening to prevent stray light and an optical system, in particular a convex lens, is provided for focusing.
These measures for beam generation and bundling, which are required due to the design of the UV tube, are comparatively complex and reduce the efficiency considerably. For example, only about a fifth of the light beam hitting the mirror is available.
GU00155GU00155
erzeugten Lichtenergie zur Verfügung.generated light energy is available.
Zum Betreiben der UV-Röhre sind vergleichsweise aufwendige Schaltungsmaßnahmen erforderlich, unter anderem, da sie mit Hochspannung betrieben werden muß.Operating the UV tube requires comparatively complex circuitry, partly because it has to be operated with high voltage.
Problematisch ist auch der Betrieb der UV-Röhre bei niedrigen Umgebungstemperaturen, da hierbei die Strahlungsintensität stark nachläßt.Operating the UV tube at low ambient temperatures is also problematic, as the radiation intensity decreases significantly.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Überwachungseinrichtung
der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die einen vereinfachten, kostengünstigeren Aufbau aufweist, betriebssicher
W und robust ist und die auch bei niedrigen Temperaturen problemlos einsetzbar ist. Außerdem sollen der Wirkungsgrad und die
Lebensdauer verbessert sein.
15The object of the present invention is to create a monitoring device of the type mentioned at the outset which has a simplified, more cost-effective structure, is reliable and robust and can also be used without problems at low temperatures. In addition, the efficiency and service life should be improved.
15
Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Lichtquelle wenigstens eine im blauen Lichtbereich abstrahlende und mit ihrer Abstrahlseite direkt der zu überwachenden Oberfläche zugewandte Leuchtdiode ist und daß vor dem Empfänger ein Farbfilter mit einem 0 Wellenlängen-DurchlaßbereichoberhalbderabgestrahltenWellenlänge angeordnet ist.To solve this problem, it is proposed that the light source is at least one light-emitting diode emitting in the blue light range and with its emitting side facing directly towards the surface to be monitored, and that a color filter with a 0 wavelength passband above the emitted wavelength is arranged in front of the receiver.
Diese Lichtquelle ist selbst sehr klein und es sind keinerlei " Abschirm- und Bündelungsmaßnahmen mehr erforderlich, was ebenfalls den Platzbedarf erheblich reduziert und was auch die Verluste kleinhält. So tritt bei dieser punktförmig abstrahlenden Lichtquelle praktisch kein Streulicht auf und das von der Lichtquelle abgestrahlte Licht steht praktisch vollständig direkt als gebündelter Lichtstrahl zur Verfügung.This light source is itself very small and no shielding or bundling measures are required, which also significantly reduces the space required and keeps losses to a minimum. This means that there is practically no scattered light with this point-like light source and the light emitted by the light source is almost entirely available directly as a bundled light beam.
Die Strom- beziehungsweise Leistungsaufnahme der Lichtquelle beträgt nur noch einen Bruchteil, insbesondere 5 bis 10% der Leistungsaufnahme einer bisher verwendeten UV-Leuchtstoffröhre und die Lebensdauer der Leuchtdiode ist mindestens um den Faktor 10 größer als bei einer UV-Röhre.The current or power consumption of the light source is only a fraction, in particular 5 to 10% of the power consumption of a UV fluorescent tube previously used and the service life of the light-emitting diode is at least 10 times longer than that of a UV tube.
Besonders vorteilhaft ist auch, daß die Leuchtdiode direkt anIt is also particularly advantageous that the LED is directly connected to
eine Stromquelle oder bei gepulstem Betrieb, an eine entsprechende Ansteuereinrichtung anschließbar ist. Aufwendige Netzteile sind somit nicht mehr erforderlich.a power source or, in pulsed operation, to a corresponding control device. Complex power supplies are therefore no longer required.
Die Leuchtdiode kann bedarfsweise auch mit einer sehr hohen Modulationsfrequenz gepulst betrieben werden. Daraus resultiert, daß auch sehr schnelle Bewegungsabläufe erfaßbar sind. Außerdem wird dadurch auch eine hohe Störsicherheit gegenüber Fremdlicht erreicht. Schließlich kann diese Lichtquelle und damit die Überwachungseinrichtung auch bei niedrigen Temperaturen ohne Einbuße seiner Meßempfindlichkeit eingesetzt werden.If required, the LED can also be operated in pulsed mode with a very high modulation frequency. This means that even very fast movements can be detected. This also ensures a high level of immunity to interference from external light. Finally, this light source and thus the monitoring device can also be used at low temperatures without any loss of measuring sensitivity.
Insgesamt kann mit der vorgesehenen Punktlichtquelle eine P Überwachungseinrichtung mit sehr geringem Aufwand und sehr kleinen Abmessungen aufgebaut werden.Overall, a P monitoring device can be set up with very little effort and very small dimensions using the intended point light source.
Bevorzugt kann die Überwachungseinrichtung zur Kontrolle von Abwasser auf bestimmte Rückstände eingesetzt werden. Dabei kann die Sende-Empfangseinheit der Überwachungseinrichtung im Bereich einer Strömungsberuhigungsstrecke angeordnet sein. Man erreicht damit eine weitgehende Konstanthaltung des Abstandes 0 zwischen Sende-Empfangseinheit und der zu überwachenden Oberfläche und damit vergleichbare Signale.Preferably, the monitoring device can be used to check wastewater for certain residues. The transmitter/receiver unit of the monitoring device can be arranged in the area of a flow calming section. This allows the distance 0 between the transmitter/receiver unit and the surface to be monitored to be kept largely constant and thus comparable signals.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, daß ein Abstandhalter zum Konstanthalten des Abstandes zwischen Sender und Empfängers von der zu überwachenden Oberfläche vorgesehen ist und daß bei einer Flüssigkeit s-Ober flächenüberwachungvor zugsweise der Abstandhalter einen Schwimmkörper mit einer Halterung zumindest für die Sende-Empfangseinheit aufweist.However, it is also possible that a spacer is provided to keep the distance between the transmitter and receiver constant from the surface to be monitored and that in the case of liquid surface monitoring the spacer preferably has a floating body with a holder at least for the transmitter-receiver unit.
Bei schwankendem Flüssigkeitspegel macht der Schwimmkörper diese Bewegungen mit, so daß auch hierbei der Abstand zwischen Sender-0 Empfangs einheit und der zu überwachenden Oberfläche gleich bleibt.If the liquid level fluctuates, the floating body follows these movements so that the distance between the transmitter- receiver unit and the surface to be monitored remains the same.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der Zeichnung noch näher erläutert. 35Further embodiments of the invention are set out in the subclaims. The invention and its essential details are explained in more detail below with reference to the drawing. 35
Es zeigt:It shows:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Überwachungseinrichtung
und
5Fig. 1 is a schematic representation of a monitoring device and
5
Fig. 2 eine schematische Darstellung mehrerer, nebeneinander angeordneter Sender und einem zugeordneten Empfänger oberhalb eines Strömungsabschnittes.Fig. 2 is a schematic representation of several transmitters arranged next to each other and an associated receiver above a flow section.
In Fig. 1 ist schematisch eine Überwachungseinrichtung 100 gezeigt, mittels der fluoreszierende Stoffe zum Beispiel auf Wasserober- W flächen erkannt werden können. Auch fluoreszierende Flüssigkeiten selbst lassen sich damit dedektieren. Die Einrichtung weist als Lichtquelle eine im blauen Lichtbereich bei etwa 400 Nanometer bis etwa 470 Nanometer abstrahlende Leuchtdiode 2 auf, die mit ihrer Abstrahlseite direkt der zu überwachenden Wasseroberfläche 18 zugewandt ist. In Abstrahlrichtung vor der Leuchtdiode 2 befindet sich ein Farbfilter 4 (Kurzpaßfilter), um das vergleichsweise breite Abstrahlspektrum der Leuchtdiode auf den vorgesehenen 0 Wellenlängenbereich einzuschränken.Fig. 1 shows a schematic diagram of a monitoring device 100, by means of which fluorescent substances can be detected, for example on water surfaces. Fluorescent liquids themselves can also be detected in this way. The device has a light source in the blue light range at about 400 nanometers to about 470 nanometers, the emitting side of which faces directly towards the water surface 18 to be monitored. In the direction of emission in front of the light-emitting diode 2 there is a color filter 4 (short-pass filter) in order to restrict the comparatively broad emission spectrum of the light-emitting diode to the intended wavelength range.
Trifft das von der Leuchtdiode 2 ausgesandte Licht auf fluoreszierende
Substanzen, wird ein Teil der Anregungsstrahlung absorbiert
und der Stoff zur Emission von energieärmerem, langwelligerem * Licht angeregt. Dieses Lumineszenzlicht wird vom Empfänger 3
dedektiert und kann dann ausgewertet werden. Vor dem Empfänger 3 befindet sich ein Farbfilter 5 {Langpaßfilter), um sicherzustellen,
daß nur das längerwellige, angeregte Lumineszenzlicht zum Empfänger 3 gelangt.
Die Leuchtdiode 2 und der Empfänger 3 sind bezüglich ihrer 0 Abstrahl- beziehungsweise Einstrahlrichtungen winklig zueinander
angeordnet. Aus dem beliebigen jedoch fest eingestellten Winkel von Leuchtdiode 2 und Empfänger 3 relativ zu einer Bezugsgeraden
oder zueinander sowie dem Abstand von Sender und Empfänger zueinander, ergibt sich die bevorzugte Tastweite a zur Wasseroberfläche
18. Zu beachten ist hierbei, daß hierbei keine optischenIf the light emitted by the light-emitting diode 2 hits fluorescent substances, part of the excitation radiation is absorbed and the substance is excited to emit lower-energy, longer-wave * light. This luminescence light is detected by the receiver 3 and can then be evaluated. A color filter 5 (long-pass filter) is located in front of the receiver 3 to ensure that only the longer-wave, excited luminescence light reaches the receiver 3.
The LED 2 and the receiver 3 are arranged at an angle to each other with respect to their 0 radiation or beam directions. The preferred detection distance a to the water surface 18 is determined from the arbitrary but fixed angle of the LED 2 and receiver 3 relative to a reference line or to each other as well as the distance between the transmitter and receiver. It should be noted that no optical
Reflektionsverhältnisse gelten, sondern daß der zur Fluoreszenz angeregte Bereich praktisch eine eigene Lichtquelle bildet.reflection conditions apply, but that the area excited to fluorescence practically forms its own light source.
Sender und Empfänger können bezüglich der Anzahl und der Anordnung in unterschiedlichsten Konstellationen angeordnet sein. Je nach dem zu überwachenden Bereich können also, wie in Fig. 2 gezeigt, eine Reihe von Sender-Leuchtdioden 2 nebeneinander angeordnet sein und, wie in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt, mit einem Empfanger 3 zusammenarbeiten. Die in Fig. 2 schematisch angedeutete Überwachungseinrichtung dient hierbei zur Überwachung eines Strömungsabschnittes 20 auf fluoreszierende Oberflächensubstanzen. ' Dies könnte zum Beispiel ein oder mehrere Ölflecken 19 auf einer Wasseroberfläche 18 sein. Da solche Ölflecken über den Strömungsabschnitt 20 verteilt sein können, ist es hier zweckmäßig, über die Breite dieses Strömungsabschnittes auch Leuchtdioden 2 anzuordnen. Je nach Breite des Strömungsabschnittes genügt zum Erkennen von Fluoreszenzereignissen ein einziger Empfänger 3, dem bedarfsweise auch eine Sammellinse vorgeschaltet sein kann. Es besteht aber auch die Möglichkeit, jeweils einer oder einer Gruppe 0 von Leuchtdioden 2 einen Empfänger 3 zuzuordnen. Dies ist dannThe number and arrangement of transmitters and receivers can be arranged in a wide variety of configurations. Depending on the area to be monitored, a series of transmitter LEDs 2 can be arranged next to one another, as shown in Fig. 2, and, as shown in this exemplary embodiment, work together with a receiver 3. The monitoring device shown schematically in Fig. 2 serves to monitor a flow section 20 for fluorescent surface substances. This could be, for example, one or more oil stains 19 on a water surface 18. Since such oil stains can be distributed across the flow section 20, it is expedient here to also arrange LEDs 2 across the width of this flow section. Depending on the width of the flow section, a single receiver 3 is sufficient to detect fluorescence events, which can also be preceded by a converging lens if necessary. However, it is also possible to assign a receiver 3 to one or a group 0 of LEDs 2. This is then
sinnvoll, wenn große Flächen zu überwachen sind. Es besteht dabei auch die Möglichkeit, die Sende-LEDs um einen Empfänger 3 herum
anzuordnen. Auch hier kann bei dem Empfänger eine Sammellinse angeordnet sein.
25useful when large areas are to be monitored. It is also possible to arrange the transmit LEDs around a receiver 3. Here, too, a collecting lens can be arranged at the receiver.
25
Die Tastweite a ist zwar über einen großen Bereich variabel, sollte
aber konstant gehalten werden, um vergleichbare Signale zu erhalten. Es ist deshalb zweckmäßig, wenn die Überwachungseinrichtung
100 im Bereich einer Wasserberuhigungsstrecke angeordnet 0 ist, in deren Bereich eine weitgehend geglättete Oberfläche und
geregelte Strömungsparameter vorhanden sind. Durch Kontanthalten des Flüssigkeitsstandes wird somit bei einer fest installierten
Überwachungseinrichtung 100 auch die Tastweite a entsprechend konstant gehalten.
5 Es besteht aber auch die Möglichkeit, die ÜberwachungseinrichtungAlthough the sensing range a is variable over a large area, it should be kept constant in order to obtain comparable signals. It is therefore expedient if the monitoring device 100 is arranged in the area of a water calming section, in the area of which a largely smoothed surface and regulated flow parameters are present. By keeping the liquid level constant, the sensing range a is also kept correspondingly constant in a permanently installed monitoring device 100.
5 It is also possible to use the monitoring device
100 oder zumindest deren Sende-Empfangseinheit mit einem Schwimmkörper zu verbinden, so daß auch bei schwankenden Flüssigkeitspegeln ein konstanter Abstand von der Oberfläche 18 zu dem Sender beziehungsweise Empfänger und damit eine konstante Tastweite a vorhanden ist.100 or at least its transmitting-receiving unit to a floating body, so that even with fluctuating liquid levels, there is a constant distance from the surface 18 to the transmitter or receiver and thus a constant sensing range a.
Das vom Empfänger 3 empfangene Signal wird für einen Analogstromausgang 14 (0 - 20 Milliampere) aufbereitet. Aus diesem Signal kann unmittelbar auf die Konzentration der fluoreszierenden Stoffe geschlossen werden. Für unterschiedlichste Stoffe läßt sich die Meßempfindlichkeit einstellen. Weiterhin stehen Schaltausgänge w 16, 17 zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung.The signal received by the receiver 3 is processed for an analog current output 14 (0 - 20 milliamperes). The concentration of the fluorescent substances can be determined directly from this signal. The measuring sensitivity can be adjusted for a wide variety of substances. Switching outputs w 16, 17 are also available for further processing.
Die Sende-Leuchtdiode 2 wird gepulst betrieben, unter anderem um eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber Fremdlichtquellen zu erreichen. Dazu ist ein Pulsgenerator 8 vorgesehen und mit 6 ist eine Sendedioden-Ansteuerung bezeichnet. Mit dem Pulgenerator sind außer der Ansteuerung 6 noch eine Sample and Ho ld-Schaltung 10 sowie eine Auswertestufe 12 verbunden. Der Empfänger 3 ist an einen Vorverstärker 7 angeschlossen, der mit einem nachgeschalteten Operationsverstärker 9 verbunden ist. Mit 11 ist eine Analogausgangsstufe und mit 13 eine Schalt ausgangsstufe bezeichnet. 15 ist ein Anschluß zur Verstärkungsregelung. Die gesamte Elektronik einschließlich der Sende-Empfänger-Einheit ist in einem gemeinsamen Gehäuse 1 untergebracht. Dieses Gehäuse kann vergleichsweise kompakt und klein sein, da die zur Funktion der Überwachungseinrichtung notwendigen Teile sehr wenig Platz beanspruchen.The transmitting LED 2 is operated in a pulsed manner, among other things to achieve a high level of insensitivity to external light sources. A pulse generator 8 is provided for this purpose and 6 denotes a transmitting diode control. In addition to the control 6, a sample and hold circuit 10 and an evaluation stage 12 are connected to the pulse generator. The receiver 3 is connected to a preamplifier 7, which is connected to a downstream operational amplifier 9. 11 denotes an analog output stage and 13 denotes a switching output stage. 15 is a connection for gain control. The entire electronics, including the transmitter-receiver unit, are housed in a common housing 1. This housing can be comparatively compact and small, since the parts required for the monitoring device to function take up very little space.
Die Überwachungseinrichtung ist in zahlreichen Anwendungsfällen einsetzbar. Fluoreszenz tritt bei zahlreichen organischen und anorganischen, im Wasser gelösten Stoffen beziehungsweise Flüssigkeiten auf. Beispielsweise sind dies Schmieröle, Petroleum, Benzin, organische Farbstoffe, Milchsäure, Glyzerin, Dextrose, Zellulose, optische Aufheller in Waschmitteln, Chlorophyll, Chinin, Flußspat und dergleichen-. Daraus ergibt sich eine bevorzugteThe monitoring device can be used in numerous applications. Fluorescence occurs in numerous organic and inorganic substances or liquids dissolved in water. Examples include lubricating oils, petroleum, gasoline, organic dyes, lactic acid, glycerine, dextrose, cellulose, optical brighteners in detergents, chlorophyll, quinine, fluorspar and the like. This results in a preferred
Anwendung zur Überwachung von Tankstellen auf Öl- oder Benzinrückstände im Wasser, zur Abwasserkontrolle in Heiz- oder Atomkraftwerken, bei der Papier-- beziehungsweise Zellstoffherstellung, zur Qualitätskontrolle in der chemischen Industrie und Pharmazie, in Kläranlagen, zum Beispiel zur Überprüfung auf Waschmittelrückstände sowie in Abwasserkanälen von Industrie und verarbeitendem Gewerbe jeglicher Art.Application for monitoring petrol stations for oil or petrol residues in the water, for wastewater control in heating or nuclear power plants, in paper or pulp production, for quality control in the chemical and pharmaceutical industries, in sewage treatment plants, for example for checking for detergent residues as well as in sewage canals of all types of industry and manufacturing.
/Ansprüche/Expectations
Claims (10)
5characterized in that the transmitter (2) and the receiver (3) are arranged at an angle to one another with respect to the beam guidance and preferably obliquely to the surface to be monitored.
5
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