DE3303940A1

DE3303940A1 - Verfahren und anordnung zur messung der oberflaechenspannung von fluessigkeiten

Info

Publication number: DE3303940A1
Application number: DE19833303940
Authority: DE
Inventors: Josef L. Dr.rer.nat. 7900 Ulm Jostan; Anton 7900 Ulm-Wiblingen Knoll; Anita 7906 Blaustein-Dietingen Marten
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1983-02-05
Filing date: 1983-02-05
Publication date: 1984-08-09

Description

Beschreibung
Verfahren und Anordnung zur Messung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 7.
Die Erfindung ist insbesondere anwendbar in Geräten, die nicht unbedingt den wahren Wert der Oberflächenspannung benötigen, sondern einenreproduzierbaren und elektrisch einfach auszuwertenden Meßwert. Derartige Geräte sind beispielsweise Wasch- und/oder Spülmaschinen, bei denen die Wasch- und/oder Spülmittelzugabe und/oder die Anzahl der Wasch- und/oder Spülgänge von der Oberflächenspannung des Leitungswassers oder der Waschlauge abhängig ist.
Bekannte statische Meßverfahren zur Bestimmung von Oberflächenspannungen in Flüssigkeiten beruhen entweder auf Druck- (z.B. Blasendruckmethode, Steighöhenmethode in Kapillaren) oder auf Kraftmessungen (z.B. Tensiometermethode, Tropfengewichtsmethode), während dynamische Verfahren auf Frequenzmessungen beruhen. Diese Meßmethoden arbeiten diskontinuierlich, sind im wesentlichen lediglich für (Präzisions-) Messungen im Laborbetrieb geeignet und bedürfen neben relativ empfindlichen Meßeinrichtungen meistens eines relativ hohen Zeit- und manuellen Aufwands, bis das Meßergebnis vorliegt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Anordnung anzugeben, die in kostengünstiger Weise eine Messung der Oberflächenspannung ermöglichen, so daß diese Messung insbesondere in serienmäßigen Haushaltsgeräten anwendbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 und 7 angegebenen Merkmale. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß es möglich ist, die Oberflächenspannung nahezu kontinuierlich zu messen,und daß ein elektrisch auswertbares Meßsignal vorliegt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen.
Es zeigen FIG.I eine beispielhafte Anordnung der verwendeten Meßelektroden FIG. 2 eine beispielhafte Anordnung zur Erläuterung der Erfindung Die Erfindung beruht auf mindestens einer Kapillare, die vorzugsweise aus zwei dicht gegenüberstehenden, elektrisch leitfähigen Platten besteht. Es wird die Änderung einer elektrischen Eigenschaft, z.B. der Leitfähigkeit, zwischen den Platten gemessen und daraus die Steighöhe und/oder die Oberflächenspannung berechnet.
FIG. 1 zeigt zwei Keramiksubstrate 10, auf denen jeweils spiegelbildlich metallische Leiterstrukturen aufgebracht sind. Dadurch entsteht auf jedem Substrat 10 eine Leitfähigkeitsmeßzelle. Diese besteht aus einer Meßelektrode 13 und einer Vergleichselektrode 11, z.B. einem ungefähr 2mm breiten und ungefähr imm hohen metallischen Rechteck, an das zur elektrischen Kontaktierung eine nach oben verlaufende, elektrisch isolierte Metallbahn 12 angeschlossen ist. Die neben der Vergleichselektrode 11 angeordnete metallische Meßelektrode 13 ist ebenfalls ungefähr 2 mm breit und besitzt eine Höhe von ungefähr 50 mm. Vergleichselektrode ii und Meßelektrode 13 sind über Kontakte 14 mit einer Meß- und/oder Auswerteeinheit 15 elektrisch verbunden. Zur Messung der Steighöhe werden die Keramiksubstrate 10 im wesentlichen parallel zueinander angeordnet, z.B. in einem Abstand von ungefähr lmm, so daß sich jeweils die Meßelektroden und die Vergleichs elektroden gegenüberstehen und, so daß die Gesetzmäßigkeiten der Kapillarität wirksam werden. Dabei dienen die während der Messung immer von der Flüssigkeit, z.B. Waschlauge, vollständig bedeckten Vergleichselektroden zur Messung der spezifischen Leitfähigkeit der Flüssigkeit. Dieser Wert wird bei der Auswertung des Leitwertes berücksichtigt, der zwischen den Meßelektroden gemessen wird. Dabei ist der Leitwert abhängig-von der Steighöhe zwischen den Keramiksubstaten 10 und somit von der Oberflächenspannung der Flüssigkeit.
Gemäß FIG. 2 wird zur Durchführung der Messung die zu messenden Flüssigkeit 20, z.B. Waschlauge, aus einem Vorratsgefäß 21 in ein höher liegendes Meßgefäß 22 gepumpt, in dem sich die beschriebenen Leitfähigkeitsmeßzellen befinden. Dieser durch eine Pumpe 23 bewirkte Pumpvorgang wird solange fortgesetzt bis die Flüssigkeit 20 durch eine Überlauföffnung 24 des Meßgefäßes 22 in das Vorratsgefäß 21 zurückläuft. Durch die Überlauföffnung 24 wird erreicht, daß die Leitfähigkeitsmeßzellen mit der Flüssigkeit 20 bis zu einer Höhe benutzt werden, die größer oder gleich der größtmöglichen Steighöhe ist. Nach dem Abschalten der Pumpe 23 sinkt der Flüssigkeitsspiegel bis zu einer Höhe, die durch eine Arbeitsöffnung 25 bestimmt ist. Dieser nun zur Messung verbleibende Flüssigkeitsstand ist so gewählt, daß bei der Messung einer Flüssigkeit mit der niedrigst zulässigen Oberflächenspannung gerade eine vollständige Flüssigkeitsbedeckung der Vergleichselektro- den 11 (FIG. 1) erreicht wird. Dieser Zustand ist dann erreicht , wenn der elektrische Leitwert, der an den Vergleichselektroden 11 gemessen wird, gleich demjenigen ist, der an den Meßelektroden 13 gemessen wird. Diese Einstellung, auch Abgleich genannt, bestimmt den niedrigsten Wert der Oberflächenspannung, die mit der Anordnung meßbar ist. Flüssigkeiten mit höherer Oberflächenspannung bewirken eine Zunahme der Steighöhe zwischen den Leitfähigkeitsmeßzellen, infolge der Kapillarattraktion, und werden in Form des ansteigenden Leitwertes erfaßt, der zwischen den Meßelektroden 13 gemessen wird. Es entsteht eine additive Größe zum Wert der Oberflächenspannung beim Abgleich. Der derart gemessenen Oberflächenspannung wird dasjenige Leitwertverhältnis zugeordnet, das aus den gemessenen Leitwerten an den Vergleichselektroden 11 und den Meßelektroden 13 berechnet wird.
Die beschriebene Anordnung hat den Nachteil, daß der durch die Arbeitsöffnung 25 bestimmte Flüssigkeitsspiegel immer gleichbleibend sein muß, z.B. auch bei Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Oberflächenspannungen, da sonst der beschriebene Abgleich fehlerhaft ist. Dieser Nachteil wird in einer Weiterbildung der Erfindung dadurch vermieden, daß mit Hilfe einer weiteren Leitwertmessung eine Bestimmung der Steighöhe möglich ist, ohne daß der beschriebene Abgleich durchgeführt werden muß. Dazu wird eines der beiden Keramiksubstrate 10 auch auf der Rückseite metallisiert, z.B. in Form der Meßelektrode 13. Eine entsprechende Gegenelektrode wird auf einem dritten Substrat aufgebracht. Dieses Elektrodenpaar besitzt einen derart großen Abstand, z.B. 10mm, daß Kapillareffekte vermieden werden. Das Elektrodenpaar dient lediglich zu einer Leitwertmessung, aus dem die Höhe des Flüssigkeitsspiegels (außerhalb des -Kapillarspalts) ableitbar ist. Wird dieser Leitwert verglichen mit demjenigen innerhalb des Kapillarspaltes, so ist die gesuchte Steighöhe, und damit die gesuchte Oberflächenspannung, unmittelbar elektrisch meßbar. Die weiterhin an den Vergleichselektroden durchge führteMessungder spezifischen Leitfähigkeit wird zur Korrektur der elektrisch gemessenen Steighöhe benötigt.
Ein Abgleich ist bei dieser Anordnung nicht mehr notwendig; es muß lediglich dafür gesorgt werden, daß die Vergleichselektroden ganz von der zu messenden Flüssigkeit bedeckt sind, während die beiden anderen Elektroden lediglich in die Flüssigkeit eintauchen müssen. Der Flüssigkeitsstand, bzw. die Eintauchtiefe der dreifachen Elektrodenanordnung kann beliebig gewählt werden, solange der Flüssigkeitsspiegel die Elektrodenflächen der Meßelektroden nicht übersteigt.
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Claims

Patentansprüche Verfahren zur Messung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten, deren Steighöhe in Kapillaren ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einer Kapillare ein Elektrodensystem (11,13) zur Messung einer elektrischen Eigenschaft der Flüssigkeit (20) angebracht wird und daß aus der Änderung der Eigenschaft die Steig höhe und/oder die Oberflächenspannung ausgewertet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kapillare mindestens zwei eng beabstandete elektrisch isolierende Platten verwendet werden, auf deren einander zugewandten Seiten das Elektrodensystem angebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit mindestens einem zusätzlichen Elektrodensystem die Höhe des Flüssigkeitsspiegels außerhalb der Kapillare kompensiert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillare zunächst mit der Flüssigkeit gespült und/oder benetzt wird zumindest bis zu einer Steighöhe, die größer oder gleich derjenigen ist, die durch Kapillarwirkung entsteht.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrische Eigenschaft der elektrische Widerstand oder der elektrische Leitwert der Flüssigkeit gemessen wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigkeit (20) Leitungswasser oder eine wässerige Lösung verwendet wird.
7. Anordnung zur Messung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten, deren Steighöhe in Kapillaren auswertbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Kapillare in einem Meßgefäß (22) angeordnet ist, das zumindest eine Überlauföffnung (24) besitzt zur Festlegung eines größtmöglichen Flüssigkeitsstandes und/oder eine Arbeitsöffnung (25) zur Festlegung eines Meßfüllstandes.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Kapillare aus mindestens zwei gegenüberliegenden elektrisch isolierenden Platten besteht, auf denen Meß- und/oder Vergleichselektroden (11, 13) spiegelbildlich angeordnet sind.
9. Anordnung nach Anspruch 7 ode Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Meßgefäß (22) mindestens ein zusätzliches Meßelektrodenpaar vorhanden ist zur Bestimmung des allgemeinen Flüssigkeitsstandes innerhalb des Meßgefäßes.