Öl Detektion mittels UV- angeregter Fluoreszenz
Hochempfindliche Detektion von Öl / PAK auf Wasseroberflächen.
Aufgabenstellung
Nach dem Wasserhaushaltsgesetz (§1) ist “jedermann verpflichtet …, die nach den Umständen erforderliche Sorgfalt anzuwenden, um Verunreinigungen des Wassers … zu verhüten“.
Bei Anlagen, bei denen die Gefahr besteht, dass bei betrieblichen Störungen Öle in ein Gewässer gelangen, bedingt die geforderte Sorgfalt eine kontinuierliche Überwachung des Auslaufs.
Da es sich bei den Ausläufen von Anlagen welche Öl enthalten könnten nicht um Reinwasser handelt sondern typischerweise um Kühl-, oder Abwasser, enthält dieses Wasser häufig noch eine erhebliche Schmutzfracht (Sand, Schlamm, Schlick, Algen, Salze, usw.). Zudem sind auch die Betriebsbedingungen wie Temperatur, Fließgeschwindigkeit, Füllstand usw. nicht Konstant. Diese Randbedingungen führen häufig dazu, dass die Erfassung von Öl nicht sicher Funktioniert. Bei der Messung in offenen Gerinnen, Becken, Tanks oder größeren Rohrleitungen wird immer nur eine Teilmenge des Wassers erfasst.
Das entnehmen einer repräsentativen Probe mit durchschnittlichem Ölanteil ist daher faktisch nicht möglich, da die Ölverteilung innerhalb des Wasserstroms in Abhängigkeit von Wassertiefe, Temperatur, Fließgeschwindigkeit und Ölsorte unvorhersehbar schwankt. Fast alle Ölsorten oder zumindest deren Bestandteile sind leichter als Wasser und haben daher die Eigenschaft aufzuschwimmen, aus diesem
Grund ist an der Wasseroberfläche sowie im oberen Bereich großer Rohrleitungen die höchste Ölkonzentration zu erwarten. Der Ölmonitor Modell FLUCOmat (FLU-103) nutzt diesen Aufschwimmeffekt des Öls um die maximale Ansprechempfindlichkeit zu gewährleisten.
Überblick über verschiedene Messmethoden
Zur Öl Detektion finden viele verschiedene Methoden ihren Einsatz:
UV- angeregte Fluoreszenz
Infrarotreflexion
Ultraschallreflexion
Absorptionsphotometrie
Leitfähigkeitsmessungen an der Wasseroberfläche
kapazitive Messungen
Transfer von Öl in einem Lösungsmittel für Kohlenwasserstoffe und spektroskopische Analyse des Lösungsmittels
Lichtstreuung / Trübungsmessung
Transfer von Kohlenwasserstoffen in die Gasphase (z. B. durch Strippen mit Luft) und deren Nachweis in der Gasphase (z. B. mit einem FID)
Methoden, die in Kontakt mit der Flüssigkeit arbeiten, z.B. eintauchende Elektroden oder Durchflusszellen, werden unter anderem durch folgende Einflüsse in Ihrer Funktion erheblich beeinträchtigt:
Verschmutzung der Elektroden
Algenbildung
Ölverschmutzung von Messzellen
Leichte Bewegungen der Oberfläche
Es ist ein erheblicher Wartungsaufwand erforderlich, um die Öl Detektion mit diesen Systemen sicherzustellen. Die Vielzahl der möglichen Störungen bei den genannten Methoden führt dazu nach einem Verfahren
zu suchen, bei dem der Sensor des Geräts nicht direkt mit dem zu überwachendem Wasser in Kontakt steht. Öl schwimmt in der Regel an der Oberfläche und ist nicht homogen im Wasser verteilt.
Ein Sensor zur berührungslosen Detektion des Öls mit einer geeigneten UV- Strahlungsquelle wird zur Fluoreszenzmessung oberhalb der Wasseroberfläche positioniert.
Einen Hinweis auf die mögliche Empfindlichkeit dieser Methode liefert die Beobachtung mit dem menschlichen Auge. Selbst geringe Ölmengenführen zu Interferenz- Farbmustern und Fluoreszenz. Die Ansprechempfindlichkeit der Fluoreszenz Methode ist dabei ca. 10x besser als das Auge.
- Mit UV- Strahlung wird das Öl zur Fluoreszenz angeregt
- Eine Detektoroptik erfasst die Fluoreszenzstrahlung
Auch dieses Verfahren kann durch Störgrößen beeinflusst werden
- Der Einfluss von extremen Umgebungslicht mit schwankender Intensität
- Starke Wellenbewegungen an der Wasseroberfläche
Durch die geeignete gerätetechnische Ausführung wird die Wirkung dieser Störungen auf die Ergebnisse jedoch weitgehend minimiert.
Die Fluoreszenzmethode
Prinzip Öl Detektion:
Energie (E1 = hv1), hier in Form von ultravioletter Strahlung, wird von einem Atom oder Molekül absorbiert.
Die Elektronen werden angeregt in einen höheren Energiezustand zu wechseln. Beim zurückfallen der angeregten Elektronen in den Grundzustand, wird die Strahlungsenergie (E2 = hv2) wieder freigesetzt, allerdings nicht vollständig mit der gleichen Wellenlänge wie bei der Energieaufnahme, sondern zusätzlich mit einer Wellenlänge im sichtbaren Spektrum sowie als Wärmestrahlung (E3).
E1 = E2 + E3
Die abgestrahlte Wellenlänge (Fluoreszenz-stahlung) ist Stoffspezifisch. Öl enthält unter anderem aromatische- Verbindungen. Da jede Ölsorte eine andere Zusammensetzung aufweist, ist auch das Fluoreszenzspektrum der verschiedenen Öle unterschiedlich, liegt aber in der Regel zwischen 350 und 500nm.
Durch die Wahl der anregenden Wellenlänge, können Empfindlichkeit und Selektivität beeinflusst werden:
- Messwellenlänge:
Zum Detektieren der Fluoreszenz sollten nur diejenigen Wellenlängen (385nm bis 395nm) ausgewählt werden, bei denen Öl eine starke Fluoreszenz zeigt. Während bei gleichen Wellenlänge, störende Substanzen wie z. B. optische Aufheller, eine geringe Fluoreszenz zeigen. Im Wellenlängenbereich von 385-395nm ist die Intensität der UV-Lampe ebenfalls gering, was zu einer Reduktion der Signalinterferenz durch direkte Reflexion führt. - UV-Intensität der UV-Quelle:
Die hier beschriebene Methode hat eine Empfindlichkeit von einem Tropfen (ca. 0,1 ml) pro m2 Fläche. Dies hängt jedoch von den Verfahrensbedingungen und der Installation des Systems ab (Wellen, Fließgeschwindigkeit, Abstand von der Oberfläche, etc.).
Technische Realisierung
Das Gerät ist für den Dauereinsatz mit geringem Wartungsaufwand in industriellen Umgebungen entwickelt. Einflüsse durch externe Störungen werden durch die Konstruktion auf ein Minimum reduziert.
Modell FLUCOmat (FLU-103) UV- Strahler:
Als UV- Quelle werden UV-Lampen oder optional UV-LED-Arrays eingesetzt. Die UV-Quellen sind über der
Detektoroptik angeordnet und decken einen Erfassungsbereich von ca. 30cm Durchmesser ab. Dieses
Design ermöglicht die Ölerfassung selbst von bewegten Wasseroberflächen. Wellen bis zu 3cm haben
keinen Einluß auf die Ansprechempfindlichkeit des Systems.
Modell FLUCOmat (FLU-103) Detektoroptik:
Die Empfängeroptik zur Erfassung der Fluoreszenz ist für eine Entfernung von etwa 400mm zwischen Wasseroberfläche und Sensor optimiert. Änderungen des Abstands zwischen Sensor und Wasseroberfläche von mehr als 75mm müssen durch eine geeignete Installation ausgeglichen werden (z.B. Installation auf Pontons, ein Ultraschallgesteuertes Liftsystem, Bypass-Container, etc.).
Modell FLUCOmat (FLU-103) Signalverarbeitung:
Ein Regelkreis garantiert für die gleichbleibend hohe Empfindlichkeit des Fotomultipliers. Dieser Detektor wird verwendet, um die Fluoreszenzstrahlung der Öle zu erfassen. Die Modulation der UV- Lampen kompensiert Einflüsse durch Schwankungen im Umgebungslicht mittels der Demodulation der Empfangssignale.
Modell FLUCOmat (FLU-103) Status Signale:
Die korrekte Funktion des Systems wird durch die permanente Überwachung der folgenden Parameter gewährleistet:
- UV- Intensität jeder UV-Lampe
- Uv- Modulation / Signal- Demodulation
- Empfindlichkeit Fotomultiplier
- Überwachung Netzteil
Störmeldungen werden von vier LED’s angezeigt. Ein gemeinsames Relais meldet einen Ausfall oder eine Fehlfunktion zum Kontrollraum. Die Resultate werden über den Analogausgang übertragen.
Betriebserfahrungen
Das Modell FLUCOmat (FLU-103) ist bereits für viele Anwendungen im Einsatz:
- Öl am Trinkwasserreservoir
- Turbinenöl in Kraftwerken
- Hydrauliköl
- Öl im Kühlwasser
- Wärmetauscheröl
- Öl in Produktionswasser
- Öl im Rückhaltebecken
- Direkteinleitung Flüsse / Seen
- Einleitung öffentlichen Abwasser-Systeme
- Wasserdurchsatz vonTurbinen
- Wasser aus verschiedenen Kollektoren
- Regenwasser
Modell FLUCOmat (FLU-103) Laborergebnisse:
Bild 2, zeigt die Empfindlichkeit für mehrere Öle, die unter Verwendung eines Laboraufbaus nachgewiesen wurden.
Modell FLUCOmat (FLU-103) Anwendungsbeispiel: Ölüberwachung in einem Kraftwerk.
Hauptsächlich finden Sie die folgenden Abwässer in einem Kraftwerk:
- Kühlwasser
- Wasser aus Wärmetauschern
Das Wasser wird möglicherweise durch, Schmieröl, Wärmetauscher Öl, Turbinenöl, etc. und wird in der Abwasseraufbereitungsanlage (Bild 6) behandelte.
Das Modell FLUCOmat (FLU-103) wird hier zur sicheren Ölüberwachung des Auslaufs eingesetzt
Modell FLUCOmat (FLU-103) Abstrakt:
Es gibt viele Ölwarngeräte auf dem Markt. Die meisten von ihnen verursachen erheblichen Wartungsaufwand beim Betrieb über lange Zeiträume. Das Modell FLUCOmat, (FLU-103) reduziert durch zuverlässige Technik und durch die berührungslose Abtastung der Wasseroberfläche die Wartung auf ein Minimum.
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