DE102006031800A1 - Pollutants e.g. inorganic and/or organic compounds, monitoring method, involves processing number of neutrons by microprocessor, from which type and quantity of pollutants are determined, after being conveyed to computer after digitization - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen von Schadstoffen in Böden und/oder flüssigen Medien, insbesondere simultanen Überwachen einer Vielzahl von chemischen Elementen, anorganischen und/oder organischen Verbindungen im Boden und/oder flüssigen Medien, bei dem die Art und Menge des Schadstoffs an Ort und Stelle in-situ ermittelt und angezeigt wird.The The invention relates to a method for monitoring pollutants in soils and / or liquid media, especially simultaneous monitoring a variety of chemical elements, inorganic and / or organic compounds in soil and / or liquid media in which the Type and amount of pollutant determined on site in situ and is displayed.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Überwachen von Schadstoffen in Böden und/oder flüssigen Medien, insbesondere simultane Überwachung einer Vielzahl von chemischen Elementen, anorganischen oder organischen Verbindungen im Boden und/oder flüssige Medien, mit einer künstlichen Neutronenquelle zum Bestrahlen des Bodens und/oder des Mediums mit einer kontrollierten Quellenenergie.The The invention further relates to a device for monitoring pollutants in soils and / or liquid Media, in particular simultaneous monitoring a variety of chemical elements, inorganic or organic Compounds in the soil and / or liquid media, with an artificial Neutron source for irradiating the soil and / or the medium with a controlled source energy.
Stand der TechnikState of the art
Zur
Schadstofferkennung ist es bekannt, Sensoren mit stofferkennenden
Elementen und Transducern einzusetzen, der die Informationen über die
Anwesenheit und Konzentration festgelegter chemischer Verbindungen
in dem zu messenden Medium in ein elektrisches Signal umwandelt
(siehe
Dieser Stand der Technik ist nicht in der Lage, eine Vielzahl von Schadstoffen im Boden bzw. im stehenden oder fließenden Gewässer gleichzeitig kontinuierlich zu detektieren, vor Ort quantitativ zu erfassen und anzuzeigen.This Prior art is unable to handle a variety of pollutants in the soil or in standing or flowing waters simultaneously continuously to detect, quantify and display on-site.
Die
Verwendung von künstlichen
Neutronenquellen zwecks quantitativer Bestimmung des Vorhandenseins
von Kohlenwasserstofföl
oder Salzwasser in einer von einem Bohrloch durchdrungenen Erdformation
an Ort und Stelle ist aus der
Dieser bekannte Stand der Technik hat den Nachteil, dass eine Sekundärreaktion genutzt wird und ausreichend Material für derartige Reaktionen vorhanden sein muss.This known prior art has the disadvantage that a secondary reaction is used and sufficient material for such reactions available have to be.
Aus
der
Die Eigenschaften der Erdformation werden aus den kumulativen Zählfenstern durch Berechnen der Variablen in dem mathematischen Ausdruck ermittelt. Das bedeutet, dass bei diesem bekannten Stand der Technik eine kumulative Zählung anstelle der Zählratenkurve zum Bestimmen der Formationseigenschaften benutzt wird.The Properties of the earth formation become from the cumulative counting windows by calculating the variables in the mathematical expression. This means that in this prior art, a cumulative count instead of the count rate curve is used to determine the formation properties.
Eine solche Messmethodik führt zu dem Nachteil, dass letztendlich nur summare Effekte erfasst werden können.A such measurement methodology leads to the disadvantage that ultimately only summative effects are detected can.
Bei diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, das in der Lage ist, Gewässer und/oder Böden simultan auf Kontaminationen bzw. Verunreinigungen jeglicher Art mit hoher Genauigkeit zu überwachen und eine umfassende Bewertung des Bodens und/oder Gewässer vor Ort in kurzer Zeit und kostengünstig vorzunehmen.at In this prior art, the object of the invention is to provide a method of the type mentioned above available capable of producing waters and / or soil simultaneously on contaminations or impurities of any kind with high To monitor accuracy and a comprehensive assessment of the soil and / or waters Place in a short time and cost-effective make.
Aufgabenstellungtask
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Gattung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.These Task is by a method of the type mentioned with the characterizing features of claim 1 and by a Device solved with the features of claim 8.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind den Unteransprüchen entnehmbar.advantageous Embodiments of the method and the device are the dependent claims.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung steht erstmals ein in-situ wirkendes Verfahren bereit, mit dem Schadstoffe unterschiedlicher Art und Menge im Boden oder im stehenden oder fließenden Gewässern kontinuierlich auch über einen längeren Zeitraum gemessen und angezeigt werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren kann problemlos unter- oder übertägig zum Einsatz kommen.With the solution according to the invention is For the first time, an in-situ process is available with which pollutants different type and amount in the ground or in the standing or flowing waters continuously over a longer one Period can be measured and displayed. The inventive method can easily be under or over the day Use come.
Eine irgendwie geartete Fixierung auf bestimmte Elemente oder Verbindungen, wie sie immer bei biochemischen Sensoren auftritt, entfällt vollkommen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dadurch eine umfassende, objektive Belastungsbewertung von Untergründen, Flussläufen, Abwässern oder sonstigen Flüssigkeiten aber auch die Ortung von Fremdkörpern im Boden möglich.A some kind of fixation on certain elements or connections, as it always occurs in biochemical sensors, completely eliminated. With the method according to the invention This will provide a comprehensive, objective burden assessment of Substrates, Rivers, wastewater or other liquids but also the location of foreign bodies possible in the ground.
Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt nur eine einfache Gerätekonfiguration, die im wesentlichen eine modular aufgebauten Sonde mit einer schnellen Neutronenquelle von etwa 14 MeV, Neutronendetektoren, eine Stromversorgung, eine Kontrollplatine und einen Mikroprozessor mit Speicher umfasst, die über eine Zuleitung mit einem Rechner verbunden ist, mit welchem alle notwendigen Parameter, beispielsweise die Akkumulierungszeit, die Startzeit, die Anzahl der Einzelablesungen und der Überwachungszeitraum (Monitoringperiode) einstellbar sind.The inventive method needed just a simple device configuration, which is essentially a modular probe with a fast Neutron source of about 14 MeV, neutron detectors, a power supply, includes a control board and a microprocessor with memory, the above a supply line is connected to a computer, with which all necessary parameters, such as the accumulation time, the Start time, the number of single readings and the monitoring period (Monitoring period) are adjustable.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann so ausgelegt sein, dass beispielsweise eine Schadstoffkomponente im Abwasser automatisch überwacht und bei Überschreiten einer zuvor festgelegten Grenzkonzentration Alarm ausgelöst oder auch eine allgemeine Alarmversion gefahren wird.The inventive method can be designed so that, for example, a pollutant component automatically monitored in the wastewater and when crossing a previously set limit concentration alarm or triggered also a general alarm version is driven.
Während des Überwachungsbetriebs arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren vollkommen autark. Es lässt sich ohne weiteres mit weiteren Überwachungseinheiten vernetzen, so dass entsprechend große Flächen bzw. Bereiche nach unterschiedlichen Elementgruppen oder -verbindungen überwacht werden können.During the monitoring operation works the inventive method completely self-sufficient. It leaves easily with further monitoring units network, so that correspondingly large areas or areas according to different Element groups or connections can be monitored.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt an die Messbedingungen keine besonderen Ansprüche. Es muss letztlich nur genügend Platz vorhanden sein, um die Gerätekonfiguration in das zu kontrollierende Medium einzubringen.The inventive method places no special demands on the measuring conditions. It must ultimately only enough There may be room to configure the device into the medium to be controlled.
Das erfindungsgemäße Verfahren erreicht außerdem eine äußerst hohe Wirtschaftlichkeit, zumal aufwändige Probenahmen für chemischen oder massenspektroskopische Analysen entfallen können.The inventive method achieved as well an extremely high one Economy, especially expensive Sampling for chemical or mass spectroscopic analyzes can be omitted.
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es ferner, den Automatisierungsgrad beispielsweise bei der Abwasserüberwachung erheblich zu steigern.The inventive method also allows the degree of automation, for example, in the wastewater monitoring significantly increase.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.Further Advantages and details will become apparent from the following description with reference to the attached Drawings.
Ausführungsbeispieleembodiments
Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The Invention will be explained in more detail below with reference to two embodiments.
Es zeigtIt shows
Mit
der in den
In einem zweiten Ausführungsbeispiel soll mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Benzengehalt in einer Grundwassermeßstelle angezeigt und überwacht werden.In a second embodiment should with the inventive method displayed and monitored the Benzengehalt in a groundwater measuring station become.
Die Überwachungsvorrichtung
Die
Sonde
Die
Sonde
Zur
Sonde
Zur
Signalübertragung
von der Sonde
Die
Die
Messabläufe
werden von einer verhältnismäßig einfachen
Bediensoftware gesteuert, die über
den angeschlossenen Rechner
In
den Rechner sind Vergleichsprofile für zu überwachende Böden und/oder
flüssige
Medien, Flussläufe,
Abwasserkanäle
usw. abgelegt, die die zulässigen
Grenzwerte an Kontaminationen enthalten, so dass bei einem Überschreiten
dieser Werte ein Alarm durch eine Alarmeinrichtung
Die
- τ
- die Neutronenlebenszeit in μs
- No
- die Zählraten zu Beginn eines ausgewählten Zeitintervalls Τ
- N
- die Zählraten am Ende des ausgewählten Zeitintervalls.
- τ
- the neutron lifetime in μs
- No
- the count rates at the beginning of a selected time interval Τ
- N
- the count rates at the end of the selected time interval.
Die
kumulativen Zählraten
können
als Summe von Neutronen unterschiedlicher Herkunft beschrieben werden:
- a, b, d
- partielle Faktoren für das untersuchte Medium
- c, e
- Proportionalitätsfaktoren für Effekte aus dem Bohrloch und der Formation.
- a, b, d
- partial factors for the investigated medium
- c, e
- Proportionality factors for borehole and formation effects.
Die Faktoren a, b und d sind im starken Maße von der Sondengeometrie bestimmt. Die Gleichungen zeigen keine Abhängigkeiten von geometrischen Faktoren. Für ein Zweikanalgerät, wie es bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Anwendung kommt, müssen beide Kanäle im Allgemeinen im gleichen Sinne reagieren, allerdings werden sich a, b und d ändern, weil diese von der jeweiligen Sonde abhängen.The Factors a, b and d are strongly dependent on the probe geometry certainly. The equations show no dependencies on geometric Factors. For a two-channel device, as in the execution of the inventive method must be used both channels generally respond in the same way, however, will become change a, b and d, because they depend on the particular probe.
Die Gleichungen (1) bis (3) mitteln die Effekte von Neutronenreaktionen folgender Art:The Equations (1) to (3) average the effects of neutron reactions of the following type:
1. Neutroneneinfang (n, γ)1. neutron capture (n, γ)
Der Neutroneneinfang ist die Hauptreaktion für das Abbremsen von Neutronen im Energiebereich zwischen E = 0...500 keV.Of the Neutron capture is the main reaction for the deceleration of neutrons in the energy range between E = 0 ... 500 keV.
2. Paarbildung2nd pairing
Beim Im Impuls-Neutron-Neutron-Verfahren ist die Paarbildung (n, 2n) eine wichtige Reaktion. Für eine Neutronenquelle mit einer Energie von 14 MeV, wie sie im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt wird, tendieren Be und Cu sehr typisch zu dieser Reaktion.At the In the impulse neutron neutron method, the pairing (n, 2n) is an important reaction. For one Neutron source with an energy of 14 MeV, as in the method according to the invention is used, Be and Cu tend to be very typical for this reaction.
3. Neutronenstreuung (n, n')3. neutron scattering (n, n ')
Diese Reaktion stellt den Hauptprozess für die Energieverluste von Neutronen bis zum thermischen Niveau, d.h. bis zu ihrem thermischen Gleichgewicht mit dem umgebenden Medium dar.These Reaction represents the main process for the energy losses of neutrons to the thermal level, i. until their thermal equilibrium with the surrounding medium.
Die
nachfolgende Tabelle zeigt charakteristische Einfangquerschnitte
für einige
ausgewählte
Materialien:
Weitere
Einfangquerschnitte sind aus der Veröffentlichung
Für die Überwachung von Elementen und/oder Verbindungen im Boden oder flüssige Medien nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden hauptsächlich die Bremsreaktionen der Neutronen und die Neutronenstreuung herangezogen. Die Bremsreaktion bestimmt die Länge und den Verlauf der Abklingkurve und die Neutronenstreuung die Diffusionslänge, die das Neutron überwindet, bis es eingefangen wird. Dadurch lässt sich die Stelle, wo das gesuchte Element seinen Platz auf der Abklingkurve einnimmt, konkret bestimmen.For monitoring of elements and / or compounds in the soil or liquid media according to the inventive method become mainly the braking reactions of the neutrons and the neutron scattering used. The braking reaction determines the length and the course of the decay curve and the neutron scattering the diffusion length, the the neutron overcomes, until it is captured. This leaves the place where that searched element occupies its place on the decay curve, specifically determine.
Die Elemente werden anhand von Plateaus in der Abklingkurve und deren zeitlicher Zuordnung bestimmt und die Amplitude liefert Ausgangswerte für Konzentrationsangaben.The Elements are based on plateaus in the decay curve and their Time assignment determined and the amplitude provides output values for concentration data.
Bei
der Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die Impulse von den Neutronendetektoren
Zur Minimierung statistischer Schwankungen bei der Registrierung der Zählraten läuft der Messprozess eine ausreichend lange Zeit. Es haben sich Messzeiten von je 2 min als vollkommen ausreichend erwiesen. Während dieser Zeit werden beispielsweise 10 Datenblöcke aufgenommen und durch den Rechner ausgelesen.to Minimization of statistical variations in the registration of counts is it going? Measuring process a sufficiently long time. There are measuring times every 2 minutes proved to be perfectly adequate. During this Time, for example, 10 data blocks are recorded and by the Calculator read.
Die Verarbeitung der Daten erfolgt in bekannter Weise, die statistisch bereinigte Werte aus der Summierung von Blockwerten und der Bildung von Mittelwerten liefert.The Processing of the data is done in a known manner, statistically adjusted values from the summation of block values and the formation of averages.
Aus den ermittelten Werten werden anschließend lineare und semilogarithmische Abklingkurven konstruiert, wobei die Blockwerte mittels der „sliding window technique" zusätzlich gefiltert werden. Dazu werden unterschiedliche Mittlungsintervalle herangezogen und mit den nachfolgenden Intervallen in Beziehung gesetzt.Out the determined values are then linear and semilogarithmic Abklingkurven constructed, the block values by means of "sliding window technique "additionally filtered become. For this purpose, different averaging intervals are used and related to the subsequent intervals.
Diese Bearbeitungen erfolgen sowohl für gemessene Zählraten als auch aus deren Quotienten, wobei die Quotienten willkürlich gewählt werden und eine iterative Näherung als Kriterium herangezogen wird.These Edits are done both for measured count rates as well as from their quotients, whereby the quotients are chosen arbitrarily and an iterative approximation is used as a criterion.
Nachdem die Abklingkurven vorliegen, erfolgt die Bestimmung der Elemente und/oder Verbindungen, was an den nachfolgenden Beispielen näher beschrieben wird.After this the decay curves are present, the determination of the elements takes place and / or compounds, as further described by the following examples becomes.
Beispiel 1example 1
Ein
Testkörper
Im
Meterabstand wurden Bohrungen abgebohrt, in die die Sonde
Die zuvor beschriebenen Abklingkurven wurden entsprechend aus dem registrierten Zählraten konstruiert.The previously described decay curves were corresponding from the registered counts constructed.
Die
In
Der Anstieg der Abklingkurven liefert einen Signalwert von 230 c.u., der dem Wert für Eisen entspricht.Of the Increase in the decay curves gives a signal value of 230 c.u., the value for Iron corresponds.
Beispiel 2:Example 2:
In
einem Bohrloch soll der Benzengehalt nachgewiesen und kontrolliert
werden. Die Sonde
Sobald
der Rechner
- 1, 1.1, 1.2, 1.3, 1.41, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4
- Überwachungseinrichtung monitoring device
- 22
- Fremdkörperforeign body
- 33
- Sondeprobe
- 44
- Steuereinrichtungcontrol device
- 55
-
Stromversorgung
der Sonde
3 Power supply to the probe3 - 66
- Kabelelectric wire
- 77
- Neutronenquelleneutron source
- 8, 98th, 9
- Neutronendetektorenneutron detectors
- 1010
-
Stromversorgung
von
4 Power supply of4 - 1111
- Modemmodem
- 1212
- Kontrollplatinecontrol board
- 1313
-
Mikroprozessor
in
3 Microprocessor in3 - 1414
-
Rechner
von
4 Calculator of4 - 1515
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- 1616
- Netzwerknetwork
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DE102007029778A1 (en) * | 2007-06-21 | 2008-12-24 | Klaus Dr. Buckup | Method for qualitative and quantitative detection of chemical elements in soil sample, involves irradiating soil samples with fast neutrons of high energy from physical neutron source in pulsed manner |
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