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Verfahren und Vorrichtung zur Dichtebestimmung
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von Flüssigkeiten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Dichtebestimmung von Flüssigkeiten nach dem Differenzdruckprinzip.
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In der chemischen Industrie und in den ihr verwandten Gebieten, beispielsweise
in der Textilveredlung, der Nassmetallurgie und der Oberflächenbehandlung von Werkstoffen
ist eine möglichst genaue Kenntnis der Zusammensetzung der eingesetzten Lösungen
wichtig. Solche Lösungen werden aus Gründen der Einfachheit und des geringen Aufwandes
meist durch manuelle Probenahme und Handtitration auf die Konzentration ihrer wichtigsten
Bestandteile untersucht. Dieses Vorgehen hat den erheblichen Nachteil, dass die
Information über die Zusammensetzung der Lösungen nur von Zeit zu Zeit erhalten
wird, und keine zuverlässige Kenntnis in den Zwischenzeiträumen vorliegt. Nachteilig
ist weiters, dass stets dann, wenn die Handanalyse Konzentrationsabweichungen vom
Sollwert anzeigt, wieder durch manuelle Massnahmen für die Korrektur der Künzentration
gesorgt werden muss. Zusätzlich hängen die Resultate der Analyse und damit auch
die Qualität der behandelten Ware von der Sorgfalt der Ausführung ab. Es sind nun
zahlreiche Versuche unternommen worden, diese Nachteile auszuschalten. Die hierfür
bekannt gewordenen Massnahmen zeichnen sich alle dadurch aus, dass eine direkte
und kontinuierlich messbare physikalische Grösse in einem eindeutigen Zusammenhang
zur interessierenden Konzentration einer
chemischen Verbindung steht.
Das ist beispielsweise für die elektrolytische Leitfähigkeit, den pH-Wert oder den
Brechungsindex der Fall. Auch die Messung der Dichte von Lösungen gehört hierher.
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Zur kontinuierlichen Messung der Dichte von Lösungen sind nun eine
Vielzahl von Vorrichtungen bekannt geworden. Genannt seien auf dem archimedischen
Prinzip beruhende Schwimmer, deren Eintauchtiefe in die zu untersuchende Lösung
letztlich von der Dichte abhängt. Die Eintauchtiefe wird meist durch Abtasten einer
Weglänge mit optischen oder elektrischen Mitteln bestimmt. Eine andere Möglichkeit
zur Dichtemessung besteht darin, dass ein von der zu messenden Lösung durchströmtes
und flexibel aufgehängtes U-förmiges Rohrstück gewogen wird Das konstante Gewicht
des U-Rohres wird zusätzlich um das Gewicht der mit variabler Dichte durchströmenden
Flüssigkeit erhöht.
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Weite Verbreitung haben auch Verfahren gefunden, welche auf einer
hydrostatischen Messung beruhen. Der auf die untere Oeffnung eines gemäss Figur
1 in die zu messende Probe eintauchenden Rohres mit konstanter Eintauchtiefe h ausgeübte
hydrostatische Druck p hängt direkt von der Dichte d der Lösung und zusätzlich von
der Gravitationskonstanten g ab gemäss p = h.d.g. Dieser Druck lässt sich besonders
einfach dadurch messen, dass in das Tauchrohr Luft bis zum Austreten von Blasen
aus
dem unteren Rohrende eingedrückt wird. Der Luftdruck p', der bis zum Blasenaustritt
aufgewendet werden muss, entspricht dem hydrostatischen Druck p, womit bei konstanter
Eintauchtiefe h unmittelbar ein Mass für die Dichte d erhalten wird. Diese vom Konzept
her einfache Blasendruckmethode ergibt aber noch nicht eine genügend genaue Konzentrationsmessung,
um die Dichte bis zur dritten Dezimale genau zu bestimmen. Mit einer gemäss Figur
2 schematisch dargestellten Differenzmessung des Druckes - einmal in der zu messenden
Lösung von der Dichte dl und zum anderen in einer Vergleichsflüssigkeit von der
Dichte d - kann die Methode so verfeinert werden, dass man der geforderten Auflösung
näher kommt. Aber auch in dieser verbesserten Form weist die Methode noch eine Reihe
von Nachteilen auf.
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Jede sich am Tauchrohr ablösende Luftblase stellt nämlich eine kurzfristige
Störung des hydrostatischen Gleichgewichtes und eine Aenderung der Länge der im
Tauchrohr stehenden Lösung dar. Die Druckmesseinrichtung erkennt diese Störung als
Signalschwankungen("Rauschen') des gemessenen Druckes, was eine Erhöhung des Messfehlers
bedeutet.
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Das niveau der Vergleichsflüssigkeit mit der Dichte d bleibt 0 beim
Durchperlen der Luft infolge des Ausschleppens von dampfförmiger Vergleichsflüssigkeit
nicht konstant. Ausserdem
findet in Abhängigkeit von der hier
durchtretenden Luftmenge eine hiveauärderung statt. So wird beispielsweise bei Erhöhen
der Luftmenge das Niveau ansteigen, so dass ein höherer Druck pO zustande kommt,
der auf das in der Vergleichsflüssigkeit befindliche Tauchrohr wirkt. Zusätzlich
können Temperaturänderungen der Vergleichsflüssigkeit mit der Dichte d eine Aenderung
dieser Bezugsdichte und dadurch eine Aenderung des Vergleichsdruckes pO bedingen.
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Weiter muss berücksichtigt werden, dass bei hoher messtechnischer
Auflösung die Sensoren zur Druckmessung eine Nullpunktdrift zeigen können. Diese
Sensoren sind in ihren messtechnischen Eigenschaften zudem von der Umgebungstemperatur,
der Temperatur der in die Tauchrohre eingeleiteten Luft und vom Druck der Raumluft
abhängig.
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Die vorliegende Erfindung vermeidet die aufgeführten Nachteile und
betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäss den in den Ansprüchen formulierten
Eigenschaften.
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Die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens und der
entsprechenden Vorrichtung bestehen in erheblich er kleineren Messfehlern und vermindertJStöranfälligkeit.
Dabei tragen drei Merkmale zu dieser Verbesserung bei:
1. Die Sensoren
zur Druckmessung geben ihr Signal in eine Rechenschaltung, welche die einzelnen
Messwerte über eine wählbare Zeit speichert und anschliessend aus diesen Messwerten
den Mittelwert berechnet; 2. Für die Druckmessung im Tauchrohr, das in die Lösung
von der Dichte dl, und im Tauchrohr, das in die Vergleichsflüssigkeit von der Dichte
d taucht, wird ein- und derselbe Sensor verwendet, der durch ein umschaltbares Ventil
alternierend zur Druckmessung in den beiden Tauchrohren eingesetzt wird. Bei beiden
Schaltstellungen des Ventils wird gemäss dem in Punkt 1 erklärten Prinzip der Messwertspeicherung
und -Mittelung Gebrauch gemacht. Diese gemittelten Messwerte werden anschliess-end
durch weitere rechnerische Massnahmen für die Bildung der Druckdifferenz tP = (P1
- pO) herangezogen (wobei die Symbole p bedeuten, dass es sich um gemittelte Werte
handelt).
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3. Durch geeignete Massnahmen der Dosiertechnik wird erreicht, dass
das Niveau der Vergleichsflüssigkeit mit der Dichte d konstant bleibt und zugleich
die durchperlende Luftmenge keine störende Veränderung des Niveaus auslöst.
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Anhand der Beschreibung und der Figuren wird das erfindungsgemässe
Verfahren, sowie ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Dabei zeigt
her
Figur 1 das bereits im voTiehenden Stand der Technik erläuterte Messprinzip, Figur
2 eine ebenfalls zum Stand der Technik zählende prinzipielle Vergleichsmesseinrichtung,
Figur 3 das Prinzip der auf dem erfindungsgemässen Verfahren basierenden Druckmessanordnung
und die zur Auswertung der Druckgrössen erforderlichen Schaltungsmittel, Figur 4
eine bevorzugte Ausführungsform der Druckmessanordnung.
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Der beispielsweise bei 6 bar liegende Druck einer Luftleitung 8 (Figur
3) wird durch ein Reduzierventil 1 auf 1 bar erniedrigt und konstant gehalten. Mit
zwei manuell einstellbaren Ventilen 2, 3 wird eine solche Luftmenge in je eine Zuleitung
6, 7 zu je einem Messrohr geleitet, dass sich eine Blasenfolge von beispielsweise
60 Blasen/Minute ergibt. Ein Drucksensor 5 wird durch ein umschaltbares Ventil 4
abwechselnd auf die beiden Zuleitungen 6,7 umgeschaltet. Die Ansteuerung des umschaltbaren
Ventils 4 erfolgt durch ein Steuergerät 9.
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Dieses sorgt gleichzeitig dafür, dass das vom Drucksensor 5 abgegebene
Signal p abwechselnd einer von zwei "sample-and-.en, hold"-Schaltkreisw 10, 11 zugeführt
wird. Diese beiden SWhaltkreise werden so betrieben, dass der eine für ein vorgegebenes
Zeitintervall das vom Drucksensor abgegebene Signal aufnimmt
und
während dieser Zeit integriert. Bei dieser Integration werden kleine Messwertschwankungen
ausgemittelt, so dass das Ende des Zeitintervalls sampling" erfasste re Signal eine
erheblich kle inehlerbandbreite aufweist als ein einzelner Messwert.
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Nach Ablauf der Messzeit wird dieses integrierte Signal in einen Speicher
gegeben ("holding" = Halten des Signals) und von hier mit dem von einer vorhergehenden
Messung im Speicher des Schaltkreises 11 vorliegenden Messwert in einer Rechenschaltung
12 verglichen.
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Das von der Rechenschaltung 12 abgegebene und in einem Instrument
26 angezeigte Signal 13 ist nun ein Mass für die Dichte der interessierenden Probe.
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Die beiden Schaltkreise 10 und 11 werden also vom Steuergerät 9 so
betrieben, dass die eine misst, während die andere speichert. Dieses Verfahren weist
somit gegenüber bekannten Methoden der Druckmessung eine Reihe von Vorteilen auf:
- es wird nur ein Drucksensor verwendet; - dieser wird stets von derselben Seite
mit dem Messmedium beansprucht, wodurch sowohl eine Nullpunktdrift als auch eine
Hysterese des aktiven Teiles des Sensors als Fehlerquellen entfallen;
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die über eine feste vorgegebene Zeit vorgenomniene Mittelung der vom Sensor abwechselnd
für die beiden Drücke in den Zuleitungen 6 und 7 abgegebenen Signale durch zwei
"sample-and-hold"-Schaltkreise 10, 11 resultiert in einer weiteren Verringerung
der Messfehler. Das gilt besonders für das "Rauschen", das beim Ablösen der Luftblasen
an den Tauchrohren auftritt und sich als kurzfristige Signalstörung auswirkt.
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Dieses rein messtechnische Verfahren zur Verringerung des Messfehlers
ermöglicht eine höhere Auflösung des Druckes bzw. der Druckdifferenz und damit eine
höhere Auflösung der Dichtemessung.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform für die Bildung der den hydrostatischen
Druck überwindenden Luftblase und die Konstanthaltung der Höhe der Flüssigkeitssäulen
zeigt Figur 4.
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Die auf ihre Dichte zu untersuchende Probe 16 durchströmt über einen
Stutzen 23 ein Rohr 14, in das über seitlich eingesetztes Luftperlrohr 15 Luft eingedrückt
wird und sich dabei aufsteigende Blasen ablösen. Rohr 15 steht in Verbindung mit
der Zuleitung 6 gemäss Figur 3. Die durch das Rohr 14 strömende Probe und die unten
eingeführte Luft treten bei einem Ueberlauf 17 wieder aus.
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Eine Vergleichsflüssigkeit 20 befindet sich in einem zweiten
Rohr
18, in das ebenfalls über ein seitlich eingesetztes Rohr 19 - das mit der Zuleitung
7 gemäss Figur 3 verbunden ist - Luft eingedrückt wird. Im Gegensatz zum oben offenen
Rohr 14 ist das Rohr 18 am oberen Ende abgeschlossen. Die durch die Vergleichsflüssigkeit
20 perlende Suft tritt durch ein Abflussrohr 21, das seitlich in das Rohr 14 eingeführt
ist, in die Probe 16 über. Das Rohr 21 ist gleichzeitig so ausgebildet, dass sich
ein konstantes Niveau der Vergleichsflüssigkeit 20 einstellt. In das die Vergleichsflüssigkeit
20 enthaltende Rohr 18 wird weiterhin von oben her durch einen Ansatz 22 ständig
eine kleine Menge der VergleichsflüEsigkeit nachgesetzt, wodurch Verdunstungsverluste
ausgeschaltet und ein konstantes Niveau der Vergleichsflüssigkeit 20 sichergestellt
werden, das zudem unabhängig von der Anzahl der aufsteigenden Luftblasen ist.
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Dadurch, dass das Abflussrohr 21 in die zu messende Probe im Rohr
14 mündet, wird erreicht, dass der am Rohr 19 bzw.
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in der Zuleitung 7 gemessene Druck Eich zusammensetzt aus dem Druck
der Vergleichsflüssigkeit zwischen dem Austritt des Abflussrohres 21 und dem Eintritt
des Luftperlrohres 15 und dem Druck der Probe 16 zwischen dem Austritt des Abflussrohres
21 und dem Niveau des Ueberlaufs 17. Damit werden die an den seitlich eingesetzten
Rohren 15, 19 bzw. an den Zuleitungen 6, 7 gemessenen Druckgrössen miteinander verknüpft,
wie nachstehend noch gezeigt werden soll.
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Mit einer solchen der Erfindung zugrunde liegenden Vorrichtung bestehen
zwischen den in den Zuleitungen 6, 7 gemessenen Druckgrössen p(6) und p(7) u der
Dichte dl der Probe 16 bzw. der Dichte d der Vergleichsflüssigkeit 20 folgende Zusammenhänge:
p(6) = dl [(15) (21)] + d1[(21) (17)] + [1] p(7) = d [(19) (21)] + dl [(21) (17)]
- [2] Die zwischen eckigen Klammern stehenden Zahlen in runden Klammern bezeichnen
gemäss Figur 4 die Höhen der Flüssigkeitssäulen. So bedeutet beispielsweise [(19)
(21)1 die Höhe der Säule zwischen dem oberen Rand des Rohres 19 und dem durch das
Abflussrohr 21 bestimmte Niveau der Vergleichsflüssigkeit 20. Subtrahiert man die
beiden Gleichungen [1] -[2], so ergibt sich p = p(6) - p(7) = d1[(15)(21)] - d0[(19)(21)]
[3] In dieser Gleichung [3] sind die Grössen do, (19)(21)] und [(15)(21)] für eine
gegebene Anordnung Konstante. Damit besteht ein eindeutiger Zusammenhang zwischen
bp und der gesuchten Dichte dl der Probe 16 im Rohr 14. Der Messwert von p entspricht
dem Signal 13 in Figur 3.
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Bei der Realisierung der Erfindung sind weiter von Bedeutung m geeignete
Massnahmen zur Kompensation von TGperatureinflüssen auf die Dichtewerte d und dl
einerseits und auf die
Aenderung der mechanischen Dimensionen der
Rohre 14 und 18 andererseits.
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Diese Kompensation kann in an sich bekannter Weise durch Messung der
Temperaturen von Probe 16 und Vergleichsflüssigkeit 20 mittels Temperatursensoren
24, 25, vorzugsweise in Form von Widerstandsthermometern, erfolgen. Das dabei gewonnene
elektrische Signal wird in bekannter Weise mit dem Signal 13 der Druckdifferenz
n p rechnerisch verknüpft.