Vorrichtung zur dynamischen Messung der Oberflachenspan¬ nung einer Flüssigkeit

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrich¬ tung zur dynamischen Messung der Oberflachenspannung an Grenzflachen zwischen Flüssigkeiten und Gasen nach der Me¬ thode der Auswertung des maximalen Blasendrucks.

Stand der Technik

Eine derartige Vorrichtung und ein Meßverfahren hierzu ist beispielsweise naher beschrieben in der EP 0 149 500 A2.

Zur Theorie und zum weiteren Verständnis der Meßmethode wird auf die Firmendruckschrift: Blasendrucktensiometer BP2, Benutzerhandbuch, Kruss GmbH, Hamburg 1995, verwie¬ sen .

Die genannten Vorrichtungen eignen sich zur labormaßigen, stationären Untersuchung von Flüssigkeiten. An die Meßbe¬ dingungen werden höchste Anforderungen gestellt. So muß beispielsweise der Füllstand bzw. die Eintauchtiefe der Kapillare in die Meßflussigkeit millimetergenau anhand ei¬ ner Absenkvorrichtung eingestellt werden, wobei zuvor ma¬ nuell und sehr vorsichtig eine Hohenjustlerung bis zum "Anspringen" der Flüssigkeit an die Kapillare vorgenommen werden muß. Der Aufstellort ist sehr sorgfaltig auszuwäh¬ len, da beispielsweise Vibrationen durch vorbeilaufendes Personal oder durch Zugluft für eine gravierende Verfäl¬ schung der Meßergebnisse sorgen. Auch ist das Meßgerat sorgfaltig auszurichten. Aufgrund des aufwendigen Meß- platzaufbaus und des hohen Gewichts von ca 20 kg verbietet sich eine mobile Anwendung. Ein weiterer Grund für den stationären Meßplatzaufbau ist darin begründet, daß tur

die Blasenerzeugung relativ hohe Drucke notwendig sind, wofür wiederum große, externe Druckgaserzeugei bereitzu¬ stellen sind und selbstverständlich muß ein Elektro- Netzanschluß für die Stromversorgung vorhanden sein. Die Regelung der Blasenbildung bzw. Blasenfrequenz erfolgt aufwendig über Analogventile. Die Auswertung kann nur an einem Personalcomputer erfolgen.

Weiterhin sind Vorrichtungen bekannt, die zwecks kontinu¬ ierlicher Messungen standig mit einer bestimmten zu unter¬ suchenden Flüssigkeit in Verbindung stehen (DE 41 12 417 AI, DE 43 03 133 AI), wobei der apparative Aufwand minde¬ stens ebenso hocn ist. Es werden externe Drucklufterzeu¬ ger, zwei Druckluftschlauche, zwei Ventile und zwei unter¬ schiedliche, mit eakt in die gleiche Tiefe eintauchende Prazisionskapillaren zur Erzeugung der Gasblasen benotigt, sowie ein Druckdifferenzmesser an den Zufuhrungen zu den Kapillaren. Die Auswertung erfolgt an einem Personalcom¬ puter. Störungen, verursacht durch einen Blasenabriß an einer der Kapillaren, erschweren eine Auswertung.

In allen bekannten Vorrichtungen wird der Druck bzw. die Druckdifferenz zwischen zwei Kapillaren als Absolutwert gemessen, wozu relativ kostenintensive Drucksensoren mit einer sehr genauen Kalibrierung erforderlich sind.

Letztlich ist aus der DE 44 23 720 Cl noch eine gattungs¬ fremde Vorrichtung zur Messung der Oberflachenspannung von vorzugsweise Metallschmelzen mit einer Kapillare zur Gas¬ zufuhr bekannt, die z.B. senkrecht durch den Boden eines die Metallschmelze aufnehmenden Tiegels gefuhrt ist und an einer Düse für die Ausbildung von Gasblasen auslauft . Bei Kenntnis der Oberflachenspannung von Gußeisen kann mit dieser Vorrichtung auf die Graphitmorphologie des im Gußeisen enthaltenen Kohlenstoffs geschlossen werden, es kann der Schwefelgehalt des Roheisens oder auch die Ver¬ edelungsbehandlung von Aluminiumsilicium-Legierungen beur¬ teilt werden. Es handelt sich dabei um eine sehr autwendi-

ge, stationär zu betreibende Apparatur, bei der die Fre¬ quenz der aus der Düse in die Gußeisenschmelze austreten¬ den Gasblasen bestimmt wird. Die relativ lange Kapillare mit einem Innendurchmesser von nur 0,7 bis 1,5 mm ver¬ ursacht einen beachtlichen Strömungswiderstand für das Gas und erfordert damit einen hohen Energieaufwand während des Meßvorgangs. Außerdem ändern sich während des Betriebes durch die in die Kapillare mehr oder weniger eindringende Meßschmelze die Benetzungseigenschaften und der Innendurch¬ messer der Kapillare und damit ändern sich auch die Meßpa¬ rameter unkontrollierbar, was letztlich zu Ungewissen Me߬ ergebnissen führt . Nach jeder Messung ist zudem eine sorg¬ fältige Reinigung der Kapillare oder besser deren Aus¬ tausch notwendig. Beides ist zeit- und kostenaufwendig.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine kompakte Vorrichtung für einen nahezu universellen, einfachen, sicheren und wartungsarmen Gebrauch zu schaffen. Die Vorrichtung soll gute Meßgenauigkeiten auch bei relativ großen Füllstand¬ stoleranzen der Flüssigkeit im Behälter ermöglichen, eine geringe Leistungsaufnahme, ein geringes Gewicht und stark verminderten Herstellungskosten besitzen. Der Einsatz soll insbesondere mobil erfolgen können, wodurch das ständige Einsenden von Proben in ein Labor ebenso entfällt wie eine an eine Anlage gefesselte Apparatur. Es sollen weiterhin auch kleinste Flüssigkeitsmengen ausgemessen werden kön¬ nen .

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des 1. Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit dem erfindungsgemäßen Gerät wird der Industrie eine kleine, leichte, elektronetz- und druckluftunabhängige, kurzum mobile Meßvorrichtung in die Hand gegeben, die re¬ lativ robust und einfach zu bedienen ist, aber dennoch gu-

te Meßergebnisse bei geringen Anschaffungskosten und uni¬ verseller Anwendbarkeit liefert. Das Meßgerät ist über ei¬ ne Eingabetastatur zu bedienen und besitzt verschiedene Betriebsmodi. In einem Anzeigedisplay können der gewählte Modus und die Meßergebnisse bzw. auch Fehlermeldungen ab¬ gelesen werden. Eine interne Volumenstromquelle erzeugt den notwendigen Gasdruck, mit einem internen Drucksensor wird die Qualität der Gasblasen gemessen und mittels eines Mikroprozessors erfolgt die Auswertung. Eine interne Strom¬ versorgung versorgt alle Verbraucher wahlweise netzunab¬ hängig. Sie besteht aus einem 125/230V-Netzteils und/oder einem wiederaufladbaren bzw. Einweg-Akkumulator.

Als Volumenstromquelle wird vorteilhafterweise eine steu¬ erbare Kleinspannungs-Membranpumpe verwendet, die in der Lage ist, einen hinreichend konstanten Gasdruck aufzubau¬ en. Der benötigte Gasdruck beträgt bei Verwendung der er¬ findungsgemäßen Düse ca. nur 1/10 des Drucks handelsübli¬ cher Vorrichtungen.

Für den Drucksensor wird nach einer besonders bevorzugten Ausführung ein Schalldruckwandler, namentlich ein Kleinst¬ mikrophon, verwendet. Dieses ist kostengünstig und liefert am Ausgang die erste Ableitung des gemessenen maximalen Blasendrucks, also ein von der Eintauchtiefe der Düse un¬ abhängiges Meßsignal.

Das Meßgerät besitzt vier wählbare Betriebsmodi, nämlich einem Kalibriermodus, einem Meßmodus 1 zur Oberflächen¬ spannungsmessung bei fest gewählter Blasenfrequenz, einem Meßmodus 2 zur Oberflächenspannungsmessung bei automati¬ schem Blasenfrequenzdurchlauf und einem Reinigungsmodus, sowie einen zusätzlichen Fehlermodus.

Im Sensbrkopf ist nach einer vorteilhaften Ausführung eine zur Flüssigkeitsoberflache gerichtete Düse eingebaut, de¬ ren Düsenlänge im Verhältnis zur Düsenöffnung sehr kurz ist . Dadurch wird ein ungestörter Blasenabriß in Richtung

der Auftriebskraft der Blasen erzeugt, was zur Erhöhung der Meßgenauigkeit beitragt. Außerdem erleichtert die Du- senform eine Reinigung erheblich und der benotigte Gas¬ druck für die Erzeugung von Gasblasen in der Meßflussig¬ keit sinkt um eine Zehnerpotenz, was insbesondere für ein batteriebetriebenes Handmeßgerat von Bedeutung ist.

Selbstverständlich kann im Sensorkopf (1) anstelle der Meßduse auch eine Kapillare zur Erzeugung der Gasblasen angeordnet sein.

Da die Oberflachenspannung mit steigender Temperatur klei¬ ner wird, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung für die Auswertung der Meßergebnisse im Sensorkopf zusätzlich ein Temperaturfühler vorgesehen.

Zusätzlich kann auch ein Leitfahigkeitssensor im Bereich der Meßflussigkeit im Sensorkopf angeordnet sein, um gleichzeitig mit der Messung der Oberflachenspannung die Leitfähigkeit der Meßflussigkeit zu messen.

Ein Fullstandssensor im Sensorkopf ist mindestens dann un¬ umgänglich, wenn ein statischer Drucksensor eingesetzt wird.

Für besonders exakte Messungen ist es vorteilhaft, den Sensorkopf (1) erfindungsgemaß in einer Halterung zu befe¬ stigen .

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung soll anhand eines Ausfuhrungsbeispiels naher beschrieben werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 die Funktionsstruktur eines Handmeßgerates, Fig. 2 eine konstruktive Ausfuhrung des Gesamtgerates, Fig. 3 den Aufbau eines Sensorkopfes nach der Erfindung.

Ein Sensorkopf 1 ist über eine flexible Zuleitung 2 mit einem Handmeßgerat 3 verbunden. Im noch naher zu beschrei¬ benden Sensorkopf 1, in welchen eine Meßflussigkeit 4 beim Eintauchen des Sensorkopfes 1 in ein Meßgefäß 5 strömen kann, befindet sich eine Düse 6, durch die Blasen über die Zuleitung 2 m die Meßflussigkeit 4 gedruckt werden kön¬ nen. Die Zuleitung 2 besteht aus einem flexiblen Schlauch

7 und gegebenenfalls aus stromleitenden, isolierten Litzen

8 für die Versorgung von zusatzlichen Sensoren 9, 10, 19, 20, 21.

Im Gehäuse des Handmeßgerates 3 ist als Volumenstromquelle 11 eine gleichmäßig arbeitende, steuerbare Membranpumpe mit einer Leistungsaufnahme kleiner 5 Watt untergebracht . Die Membranpumpe ist mit einer Stromversorgung 12, einem 115/230V-Netzteιl und/oder einem Akkumulator bzw. einer Batterie verbunden. Über ein 1-Stuck im Schlauch 7 gelangt der durch die Membranpumpe aufgebauten Luftdruck an einen Drucksensor 13, vorteilhafterweise einen Schalldruckwand ler, sowie an die Düse 6, wo sich eine Blase entwickelt. Der Schalldruckwandler wandelt den statischen Druckanteil des Blasendrucks in ein nach der Zeit differenziertes Me߬ signal um, womit die Messung unabhängig vom Füllstand im Meßgefäß wird, bzw. unabhängig von der Eintauchtiefe des Sensorkopfes 1 in die Meßlosung 4 wird, was eine wesentli¬ che Voraussetzung für ein unkompliziert zu bedienendes Handmeßgerat 3 ist. Auch ist ein Schalldruckwandler bedeu¬ tend kostengünstiger als ein herkömmlich eingesetzter, aufwendig zu kalibrierender Drucksensor. Durch Integration über die Zeit kann in einem Mikroprozessor 14 der Bldsen- druck und daraus die Oberflachenspannung der Flüssigkeit 4 leicht ermittelt werden. Außerdem können die Meßgroßen: Blasenfrequenz, Temperatur und ggf. I eitfahigkeit der Me߬ flussigkeit 4 auf einem LCD-Display ± 5 des Handmeßgerates 3 angezeigt und einschließlich Datum und Uhrzeit der Mes¬ sung im Mikroprozessor 14 gespeichert werden. Über eine Rechnerschnittstelle, z.B. RS 232, ist eine Übergabe, Dar¬ stellung und Weiterverarbeitung sämtlicher Meßwerte an ei-

nem externen Personalcomputer optional möglich. Die Bedie¬ nung des Handmeßgerätes 3 erfolgt über eine Eingabetasta¬ tur 16.

Der Sensorkopf 1 hat ein Sensorgehause 17, in dessen unte¬ ren Bereich die Düse 6 angeordnet ist. Die Düse 6 besitzt eine im Verhältnis zur Dusenoffnung sehr kleine Lange, wo¬ durch die störende Wirkung grenzflachenspannungsabhangiger Kapillarkrafte, wie sie bei Meßkapillaren auftreten, ohne wesentlichen Einfluß bleiben. Auch ist hierdurch eine Rei¬ nigung der Düse 6 sehr erleichtert und der notwendige Gas¬ druck bedeutend verringerbar.

Die Düse 6 ist zur Oberflache der Meßflussigkeit 4 gerich¬ tet, so daß die Abrißrichtung der naturlichen Auftriebs¬ richtung der Gasblasen entspricht, wodurch Meßfehler ver¬ ringert werden. Zur Gaszufuhrung dient ein das Sensorge¬ hause 17 durchsetzender Kanal 18 mit einer Mundung unter¬ halb der Düse 6.

Weiterhin ist im Bereich der Benetzung durch die Meßflus¬ sigkeit 4 ein Temperatursensor 9 angeordnet und über eine in der Zuleitung 2 geführte Litze 8 mit dem Mikroprozessor 14 im Handmeßgerat 3 verbunden. Die Erfassung der Tempera¬ tur und ggf. eine Temperaturkompensation sind aus Gründen der im wesentlichen linearen Temperaturabhangigkeit der Oberflachenspannung wichtig, weil mit dem Handmeßgerat 3 Meßflussigkeiten 4 zwischen 10°C und 90°C zu diagnostizie¬ ren sein sollen.

Am Boden des Sensorgehauses 17, noch unterhalb der Einmün¬ dung des Kanals 18, ist vorteilhafterweise ein keramischer Feuchte- oder Leitfähigkeitssensor 19 angeordnet. Im Raum zwischen diesem Sensor 19 und der Dusenoffnung steht nor¬ malerweise keine Meßflussigkeit 4. Der Sensor 19 über¬ wacht, ob etwa Meßflussigkeit 4 in die Düse 6 eingedrungen ist und gibt gegebenenfalls ein Signal an den Mikroprozes¬ sor 14.

Weiterhin kann sich oberhalb der Düse 6 ein vorzugsweise kapazitiver Leitfahigkeitssensor 10 befinden, dessen Elek¬ troden an der Innenwandung des Sensorgehauses 17 befestigt sind. An die Elektroden wird in bekannter Weise eine Wech¬ selspannung gelegt. Der aus den Elektroden und der dazwi¬ schen befindlichen Meßflussigkeit 4 bestehende Kondensator liefert eine elektrische Impedanz, aus der Meßwerte bezug¬ lich der Konzentration von z.B. Reinigungsmitteln in der Meßflussigkeit 4 ermittelt werden können. Damit wird die Möglichkeit geschaffen, sowohl die Oberflachenspannung als auch die Leitfähigkeit der Meßflussigkeit 4 gleichzeitig zu bestimmen.

Letztlich können noch Fullstandssensoren 20, 21 im Sensor- gehause 17 untergebracht sein, die den Stand der Meßflus¬ sigkeit 4 im Sensorkopf 1 signalisieren. Obwohl die Mes¬ sung weitgehend unabhängig vom Flussigkeitsniveau ist, muß natürlich genügend Flüssigkeit 4 zum Ausbilden eines homo¬ genen Blasenstroms vorhanden sein.

Kurze Beschreibung der Meßmethode

Das Handmeßgerat besitzt vier Betriebsmodi und einen Feh ^¬ lermodus, die mit der Tastatur 16 wahlbar sind.

1. Kalibnermodus :

Im Kalibnermodus erfolgt zunächst ein Systemcheck und die Kalibrierung des Handmeßgerates 3 auf die Oberflächenspan¬ nung einer bekannten Flüssigkeit, z.B. Wasser oder Alko¬ hol.

2. Meßmodus 1 :

Im Meßmodus 1 erfolgt die Oberflachenspannungsmessung mit Festfrequenzen des Blasenaustritts, wahlbar sind vorzugs ^¬ weise Blasenfrequenzen von 1Hz bis 10Hz. Größere Frequenz¬ bereiche sind jedoch auch möglich.

3 . Meßmodus 2 :

Im Meßmodus 2 erfolgt die Oberflachenspannungsmessung bei automatischem Frequenzdurchlauf des Blasenaustritts von 1Hz nach 10Hz. Größere Frequenzbereiche sind auch möglich.

4. Reinigungsmodus:

Es erfolgt eine Reinigung der Düse 6 mit voller Volumen- stromleistung der Volumenstromquelle 11.

5. Fehlermodus:

Das Handmeßgerat 3 erkennt automatisch auftretende Fehler in der Bedienung und Handhabung sowie wahrend des Messens, so daß Fehlmessungen weitestgehend ausgeschlossen sind. Über das LCD-Display 15 werden die Fehler angezeigt. So wird in die Düse 6 eindringende Meßflussigkeit 4 regi¬ striert und angezeigt. Weiterhin ist das Ausschalten des Handmeßgerates 3 über eine OFF-Taste erst möglich, wenn der Sensorkopf 1 aus der Meßflussigkeit 4 genommen wurde. Hierdurch wird praktisch verhindert, daß Meßflussigkeit 4 in die Düse 6 gelangt . Ferner werden das Über- oder Un¬ terschreiten des Meßbereichs der Oberflachenspannung, der vorzugsweise zwischen 15 und 80 mN/m liegt, der Temperatur der Meßflussigkeit 4 zwischen 0 und 100 "C, sowie der Um¬ gebungstemperatur angezeigt .

Gewerbliche Anwendbarkeit

Ein Anwendungsfeld ist z.B. die Diagnose tensidhaltiger Waschlaugen oder Spulwasser, ein anderes die Qualitätssi¬ cherung von tensidhaltigen Tinten, Farben, Reinigungsmit¬ teln oder Wischwasser. Unter anderem lassen sich mit der erfindungsgemaßen Vorrichtung auch sehr gut pestizide, photochemische und pharmazeutische Losungen diagnostizie¬ ren. Weitere Anwendungsgebiete erschließen sich in der Halbleiterindustrie, Metallverarbeitung und Textilindu¬ strie.

Bezugszeichen

Sensorkopf 1

Zuleitung 2

Handmeßgerät 3

Meßflüssigkeit 4

Meßgefäß 5

Düse 6

Schlauch 7

Litzen 8

Temperatursensor 9

Leitfähigkeitssensor 10

Volumenstromquelle 11

Stromversorgung 12

Drucksensor 13

Mikroprozessor 14

Display 15

Eingabetastatur 16

Sensorgehäuse 17

Kanal 18

Feuchte-/Leitfähig¬ keitssensor 19

Füllstandssensoren 20, 21