DD220903A1

DD220903A1 - FLOW CELL FOR CONCENTRATION MEASUREMENT OF FLUIDS

Info

Publication number: DD220903A1
Application number: DD25595083A
Authority: DD
Inventors: Hans-Christoph Hesse
Original assignee: Medizin Labortechnik Veb K
Priority date: 1983-10-25
Filing date: 1983-10-25
Publication date: 1985-04-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Durchflusszelle zur Konzentrationsmessung von stroemenden Fluessigkeiten ueber die spezifische elektrische Leitfaehigkeit bzw. den elektrischen Widerstand, die auch bei stark veraenderlichen Konzentrationen, d. h. bei auftretenden Konzentrationsmessungen sichere Ergebnisse liefert. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass der Messzweig der Durchflusszelle ein multiplikatives Stellglied enthaelt, dessen Steuereingang mit dem Kompensationszweig und dessen Ausgang mit einem Differenzverstaerker verbunden sind, wobei diesem Differenzverstaerker eine Bezugsspannungsquelle vorgeschaltet ist und im Kompensationszweig zwischen einem Verstaerker und einem Gleichrichter ein regelbarer Spannungsverteiler und ein Verstaerker in Reihe angeordnet ist.The invention relates to a flow cell for measuring the concentration of flowing liquids over the specific electrical conductivity or the electrical resistance, which also at strongly veraenderlichen concentrations, d. H. provides reliable results when concentration measurements occur. This goal is achieved in that the measuring branch of the flow cell contains a multiplicative actuator whose control input to the compensation branch and whose output are connected to a Differenzverstaerker, this Differenzverstaerker is preceded by a reference voltage source and in Kompensationszweig between an amplifier and a rectifier a controllable voltage distributor and an amplifier is arranged in series.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung 'To this 1 page drawing '

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Durchflußzelle zur Konzentrationsmessung von strömenden Flüssigkeiten über die spezifische elektrische Leitfähigkeit bzw. den elektrischen Widerstand.The invention relates to a flow cell for measuring the concentration of flowing liquids via the specific electrical conductivity or the electrical resistance.

Eine solche Flüssigkeit ist z. B. das bei der Blutreinigung mittels künstlicher Nieren verwendete Dialysat. Dabei sind die Leitfähigkeit bzw. der Widerstand ein Indikator für die momentane Konzentration des Dialysats, d.h. der Salzlösung eines SaIz- und/oder Säure-Basen-Gemisches bestimmter Zusammensetzung in der Flüssigkeit. , :.' ,Such a liquid is z. For example, the dialysate used in blood purification using artificial kidneys. In this case, the conductivity or the resistance are an indicator of the instantaneous concentration of the dialysate, i. the saline solution of a salt and / or acid-base mixture of specific composition in the liquid. ,: ' .

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

In der DE-OS 2837102 wird eine Meßzelle zum Messen und Überwachen der elektrischen Leitfähigkeit einer Flüssigkeit vorgestellt, die mindestens vier konzentrische kreisförmige Elektroden aufweist, welche in oder auf der Oberfläche angeordnet und gegenseitig durch ringförmige Bereiche aus elektrisch nicht leitendem Material isoliert sind. Die flach ausgebildete Oberfläche mit den Elektroden ist in der Meßzelle so gelagert, daß sie. mit der zu prüfenden Flüssigkeit in Berührung kommt.In DE-OS 2837102 a measuring cell for measuring and monitoring the electrical conductivity of a liquid is presented, which has at least four concentric circular electrodes, which are arranged in or on the surface and mutually isolated by annular regions of electrically non-conductive material. The flat surface with the electrodes is mounted in the measuring cell so that they. comes into contact with the liquid to be tested.

Dieser Meßzelle und der dazugehörigen Schaltung liegt die bekannte Vierelektroden-Methode der Impedanzmessung zu Grunde. Die realisierten Vergleichsmessungen führen zu einem komplexen Signal für die Leitfähigkeit der beiden zu vergleichenden Flüssigkeiten und dienen nicht der Temperaturkompensation. .This measuring cell and the associated circuit is based on the known four-electrode method of impedance measurement. The realized comparison measurements lead to a complex signal for the conductivity of the two liquids to be compared and are not used for temperature compensation. ,

Da die Leitfähigkeit außer von der Elektrölytenkonzentration auch stark von der Temperatur abhängig ist, muß der Meßwert unabhängig von der aktuellen Temperatur für eine bestimmte Bezugstemperatur korrigiert werden. Die Temperaturkompensation wird mit einem in der Elektrodeneinheit eingebauten temperaturempfindlichen Element (Thermistor) durchgeführt.Since the conductivity is also strongly dependent on the temperature, apart from the concentration of electrolytes, the measured value must be corrected independently of the current temperature for a specific reference temperature. The temperature compensation is carried out with a temperature-sensitive element (thermistor) installed in the electrode unit.

Die Verwendung von Thermistoren bringt erhebliche Nachteile in der Form mit sich, daß die Temperaturkompensation mit der erforderlichen typischen Charakteristik nur in einem begrenzten Bereich mit einer bestimmten Genauigkeit möglich ist. Für die Temperaturkompensation mit Heißleitern ist typisch, daß eine vollständige Kompensation nur in einem bestimmten Bereich wirksam ist. Auch gibt es keine „auswechselbaren" Thermistoren. Die zu verwendenden Thermistoren müssen vielmehr aus einer größeren Anzahl ausgesucht werden, was zu einer Versteuerung dieser Lösung führt.The use of thermistors involves considerable drawbacks in the form that the temperature compensation with the required typical characteristic only in a limited range with a certain accuracy is possible. For temperature compensation with thermistors, it is typical that full compensation is effective only in a certain range. Also, there are no "interchangeable" thermistors, but the thermistors to be used must rather be selected from a larger number, which leads to a Versteuerung this solution.

Ein weiterer Nachteil ist, daß bei vorhandener Eigenerwärmung der Thermistoren durch den Meßstrom die Temperaturkompensation zusätzlich von der Strömungsgeschwindigkeit der zu messenden Flüssigkeit abhängig wird.A further disadvantage is that when the self-heating of the thermistors by the measuring current, the temperature compensation is additionally dependent on the flow rate of the liquid to be measured.

im engen Zusammenhang mit der Gefahr der Eigenerwärmung der Thermistoren steht auch die Tatsache, daß bei Kompensation im Eingangskreis durch die Meßstrecke der Wert des zur Kompensation erforderlichen Thermistors festgelegt wird. Im Sinne der Vierelektroden-Methode mit Konstantstromeinspeisung soll die Meßstrecke möglichst niederohmig sein; Die aus der Fertigung angebotenen Mikrothermistoren in Fühlerform sind für den vorliegenden Zweck jedoch zu hochohmig.in close connection with the risk of self-heating of the thermistors is also the fact that is set at compensation in the input circuit through the measuring path, the value of the required for compensation thermistor. For the purposes of the four-electrode method with constant current feed, the test section should be as low-impedance as possible; However, the micro-thermistors in sensor form offered by the manufacturer are too high-impedance for the present purpose.

In der DD-Patentanmeldung A 61 /M241931 — 6 wird eine Durchflußzelle zur Konzentrationsmessung von strömenden 'In DD patent application A 61 / M241931-6 is a flow cell for measuring the concentration of flowing '

Flüssigkeiten vorgeschlagen, mit der die vorstehend geschilderten Nachteile beseitigt werden.Liquids proposed, with the above-described disadvantages are eliminated.

Erreicht wurde dies, indem man eine mit Elektroden bestückte Küvette aus elektrisch isoliertem Material guter Wärmeleitfähigkeit in die gleichfalls mit Elektroden versehene Durchflußzelle senkrecht zu deren Längsachse in die Meßflüssigkeit eintauchend, anordnete. Durchflußzelle und Küvette sind dabei mit Elektroden versehen, die jeweils einemThis was achieved by placing a cuvette equipped with electrodes of electrically insulated material of good thermal conductivity in the likewise provided with electrodes flow cell perpendicular to the longitudinal axis in the measuring liquid, arranged. Flow cell and cuvette are provided with electrodes, each one

Meßzweig bzw. einem Kompensationszweig zugeordnet sind, welche wiederum mit mindestens je einem Ausgang an einenMeasuring branch or a compensation branch are assigned, which in turn with at least one output to a

Differenzverstärker angeschlossen sind. .Differential amplifiers are connected. ,

Bei stark veränderlichen Konzentrationen müßte jedoch für eine exakte Messung die Vergleichsprobe ständig aktualisiert werden, was aber bei kontinuierlichen Messungen Schwierigkeiten mit sich bringt.However, for highly variable concentrations, the control sample would need to be constantly updated for accurate measurement, but this would be difficult to achieve in continuous measurements.

Object of the invention ' ^: . ..,. , , , , , -

Unter Nutzung des Vorteils der bereits vorgeschlagenen Durchflußzelle soll die Konzentrationsmessung unter Berücksichtigung auftretender Schwankungen verbessert werden und zwar so, daß auch wenn die in der Küvette befindliche Vergleichsflüssigkeit mit der zu messenden Flüssigkeit bezüglich der Konzentration nicht übereinstimmt eine genaue Messung möglich ist.Using the advantage of the already proposed flow cell, the concentration measurement should be improved taking into account fluctuations occurring in such a way that even if the comparison liquid in the cuvette with the liquid to be measured with respect to the concentration does not match an accurate measurement is possible.

Das äsgiüig des Wesens der Erfindung ,The subject of the invention of the invention

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Durchflußzelle so zu gestalten, daß auch bei stärkeren Konzentrationsschwankungen deren spezifischer Widerstand bzw. deren spezifische Leitfähigkeit bei einer bestimmten Bezugstemperatur gemessen werden kann. ^v /The invention was based on the problem of designing a flow cell so that its specific resistance or its specific conductivity at a certain reference temperature can be measured even with larger concentration fluctuations. ^v /

Erfindungsgemäß wurde diese Aufgabe dadurch gelöst, daß dem Meßzweig der Durchflußzelle ein Stellglied zugeordnet ist, dessen Steuereingang mit dem kompehsationszweig und dessen Ausgang über einen Gleichrichter mit einem Differenzverstärker verbunden sind, wobei diesem Differenzverstärker eine Bezugsspannungsquelle vorgeschaltet ist und im Kompensationszweig zwischen einem Verstärker und einem Gleichrichter ein regelbarer Spannungsteiler und ein Verstärker in Reihe angeordnet sind. ' ,According to the invention this object has been achieved in that the measuring branch of the flow cell is associated with an actuator whose control input to the kompehsationszweig and whose output are connected via a rectifier with a differential amplifier, said differential amplifier is preceded by a reference voltage source and in Kompensationszweig between an amplifier and a rectifier a controllable voltage divider and an amplifier are arranged in series. ',

-2-255 950-2-255 950

Anhand eines Blockschaltbildes wird mit einem Ausführungsbeispiel die Erfindung näher erläutert. Auch den nicht dargestellten Stirnseiten der Durchflußzelle 1 befinden sich ebenfalls nicht dargestellte Anschlußstutzen zur Durchleitung von Dialysat, das eine bestimmte, gleichbleibende Konzentration aufweisen soll. Zwischen den Segmenten 2 des Zellenmantels 3 sind die zum Meßzweig 4 gehörenden Elektroden 5,6 und die mit dem Kompensationszweig 7 verbundenen Elektroden 8,9 angeordnet. Während 5 und 6 die Spannungselektroden bilden, verkörpern 8 und 9 die Stromelektroden. Die senkrecht in die Durchflußzelle 1 ragende Küvette 10 ist flüssigkeitsdicht in diese eingesetzt. Von den axial in der Küvette 10 angeordneten Elektroden 11,12 ist die Elektrode 11 verstellbar, die Elektrode 12 feststehend.Based on a block diagram, the invention is explained in more detail with an embodiment. Also not shown end sides of the flow cell 1 are also not shown connecting piece for the passage of dialysate, which should have a certain, constant concentration. Between the segments 2 of the cell jacket 3, the electrodes 5, 6 belonging to the measuring branch 4 and the electrodes 8, 9 connected to the compensation branch 7 are arranged. While 5 and 6 form the voltage electrodes, 8 and 9 embody the current electrodes. The vertically protruding into the flow cell 1 cuvette 10 is inserted liquid-tight in this. Of the electrodes 11, 12 arranged axially in the cuvette 10, the electrode 11 is adjustable and the electrode 12 is fixed.

Im Meßzweig 4 sind die Spannungselektroden 5,6 an die Eingänge des Differenzverstärkers 13 angeschlossen, dessen Ausgang mit dem Signaleingang des Stellgliedes 14, welchem ein Gleichrichter 15 nachgeschaltet ist, verbunden ist. Das aus dem Feldeffekttransistor 16, den Widerständen 17,18 und dem Verstärker 19 gebildete Stellglied 14 ist über den Steuereingang 20 des Stellgliedes 14 mit dem Ausgang des im Kompensationszweig 7 liegenden Gleichrichter 21 verbunden.In the measuring branch 4, the voltage electrodes 5.6 are connected to the inputs of the differential amplifier 13, whose output is connected to the signal input of the actuator 14, which is a rectifier 15 connected downstream. The actuator 14 formed by the field effect transistor 16, the resistors 17,18 and the amplifier 19 is connected via the control input 20 of the actuator 14 to the output of the rectifier 21 located in the compensation branch 7.

Die Elektroden 11,12 der zum Kompensationszweig 7 gehörenden Küvette 10 sind an die Eingänge des Differenzverstärkers angeschlossen, der über den regelbaren Spannungsteiler 23 und den Verstärker 30 mit dem Gleichrichter 21 verbunden ist. Eine Verbindung der Elektroden des Meßzweiges 4 mit denen der Küvette 10 besteht in der Art, daß die Stromelektrode 8 über die Sekundärwicklung 24 des Trafos 25 einer Stromquelle und den veränderlichen Widerstand 26 mit der Elektrode 12, die Stromelektrode 9 mit der Elektrode 11 direkt verbunden ist.The electrodes 11, 12 of the cuvette 10 belonging to the compensation branch 7 are connected to the inputs of the differential amplifier, which is connected to the rectifier 21 via the controllable voltage divider 23 and the amplifier 30. A connection of the electrodes of the measuring branch 4 with those of the cuvette 10 is such that the current electrode 8 via the secondary winding 24 of the transformer 25 a current source and the variable resistor 26 to the electrode 12, the current electrode 9 is connected to the electrode 11 directly ,

Am Ausgang des Meßzweiges 4 bzw. des Gleichrichters 15 besteht ein dem Widerstand an den Elektroden der Durchflußzelle proportionales Analogsignal zur Verfugung, das entweder direkt einem nicht dargestellten Anzeigegerät und/oder über einem mit der Bezugsspannungsquelle 27 verbundenen Differenzverstärker 28 Und einen einstellbaren Verstärker 29 einem zweiten, ebenfalls nicht dargestellten Anzeigegerät zugeführt wird.At the output of the measuring branch 4 and the rectifier 15 is a resistor to the electrodes of the flow cell proportional analog signal available, either directly to a display device not shown and / or connected via a reference voltage source 27 differential amplifier 28 and an adjustable amplifier 29 a second , also not shown display device is supplied.

Die Durchflußzelle arbeitet wie folgt: Nachdem die Küvette 10 mit einer Probe in der gewünschten Konzentration gefüllt und verschlossen worden ist, wird die Durchflußzelle 1 eingeschaltet, d.h., sie wird für den Durchgang des Dialysestromes geöffnet und die Stromkreise werden eingeschaltet. Die Probe und der Dialysatstrom weisen auf Grund der ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit der Küvette fast während der gesamten Dialysezeit eine gleiche Temperatur auf. Die Temperaturdifferenz ist also annähernd Null. Zur Realisierung der bekannten Beziehung R, = Ro + Ro · aTwird unabhängig für alle Konzentrationen mit annähernd gleichem Temperaturkoeffizienten α an der Küvette 10 eine Spannung gewonnen. Diese Spannung wird zur Steuerung des Verstärkungsfaktors des zum Stellglied 14gehörenden Verstärkers 19 herangezogen. Die über den Steuereingang 20 des Stellgliedes 14 eingehende Spannung stellt den Faktor a · T als prozentuale Abhängigkeit des Widerstandes von der jeweiligen Temperatur dar. Es wird dadurch die der aktuellen Konzentration proportionale, vom Differenzverstärker 13 abgegebene, noch temperaturabhängige Signalspannung multiplikativ mit dem Faktor a T beaufschlagt und somit vom Temperatureinfluß befreit. ·The flow cell operates as follows: After the cuvette 10 has been filled with a sample in the desired concentration and closed, the flow cell 1 is turned on, ie, it is opened for the passage of the dialysis current and the circuits are turned on. Due to the excellent thermal conductivity of the cuvette, the sample and the dialysate flow have the same temperature for almost the entire dialysis time. The temperature difference is therefore almost zero. To realize the known relationship R, = Ro + Ro · aT, a voltage is independently obtained for all concentrations with approximately the same temperature coefficient α at the cuvette 10. This voltage is used to control the amplification factor of the actuator 19 belonging to the actuator 14. The incoming voltage via the control input 20 of the actuator 14 represents the factor a · T as a percentage dependence of the resistance of the respective temperature. It is thereby proportional to the current concentration, output from the differential amplifier 13, still temperature-dependent signal voltage multiplicatively with the factor a T acted upon and thus freed from the influence of temperature. ·

Dies geschieht dadurch, daß der Verstärkungsfaktor des Stellgliedes 14 bei Temperaturschwankungen so geändert wird, daß die durch die Temperaturschwankungen hervorgerufene Widerstandsänderung der Probe in ihrer Auswirkung auf die Signalspannung am Ausgang des Stellgliedes 14 kompensiert wird. Sinkt z. B. die Temperatur des Dialysatstromes in der Durchflußzelle gegenüber der festgelegten Bezugstemperatur, so steigt dessen spezifischer Widerstand, wodurch ein Anstieg der Signalspannung zwischen den Elektroden 5,6 eintritt, was zur Folge hat, daß die Spannung am Ausgang des Differenzverstärker 13 ebenfalls ansteigt. Die aus der Küvette 10 gewonnene, ebenfalls ansteigende Steuerspannung ist dem Faktor aus dem Temperaturkoeffizienten α und der Temperaturdifferenz T proportional. Sie wird im Kompensationszweig so verstärkt, daß der Verstärkungsfaktor des Stellgiedes 14 in dem Maße vermindert wird, daß am Ausgang des Gleichrichters ein Signal anliegt/welches den spezifischen Widerstand des Dialysats bei der Bezugstemperatur ohne die durch die Temperaturänderung entstandene Schwankung darstellt. Steigt die Temperatur des Dialysatstromes, so treten entgegengesetzte Wirkungen auf, d.h. der spezifische Widerstand sinkt. ,This happens because the gain of the actuator 14 is changed in temperature fluctuations so that the caused by the temperature fluctuations resistance change of the sample is compensated in their effect on the signal voltage at the output of the actuator 14. Sinks z. As the temperature of the dialysate in the flow cell compared to the set reference temperature, so its resistivity increases, whereby an increase in the signal voltage between the electrodes 5,6 occurs, with the result that the voltage at the output of the differential amplifier 13 also increases. The control voltage obtained from the cuvette 10, which also increases, is proportional to the factor from the temperature coefficient α and the temperature difference T. It is amplified in Kompensationszweig so that the gain of the Stellgiedes 14 is reduced to the extent that at the output of the rectifier, a signal is applied / which represents the specific resistance of the dialysate at the reference temperature without the resulting from the change in temperature fluctuation. If the temperature of the dialysate flow increases, opposite effects occur, ie the specific resistance decreases. .

Die das Stellglied 14 darstellende Verstärkerschaltung, die eine an sich bekannte FET-Regelstufe enthält, hat die höchste Verstärkung bei kleinstem Drain-Source-Widerstand R_DS des Feldeffekttransistors 16, weil dann die geringste Dämpfung des Verstärkers 19 durch den Gegenkopplungszweig auftritt. R_DS wird über das Gate (Steuereingang 20) mit Hilfe der Spannung aus der im Kompensationszweig 7 befindlichen Küvette 10 auf zweckentsprechende Weise gesteuert. Dabei besteht die Möglichkeit, die Steuergleichspannung im Gleichrichter 21 als positive oder negative zu gewinnen und über ein nicht dargestelltes Phasendrehglied an das Stellglied 14 mit dem regelbaren Verstärker zu führen. Am Ausgang des Gleichrichters 15 steht eine dem temperaturkompensierten Widerstand des Meßsegmentes 2 proportionale Spannung zur Verfügung. Zur Einstellung der Nullpunktanhebung für die an den Ausgängen des Differenzverstärkers 28 bzw. des nachgeschalt<;U:n einstellbaren Verstärkers 29 zur Verfügung stehenden Signalspannung, die dem aktuellen Widerstand der Probe bei dor Bezugstemperatur entspricht, ist die Bezugsspannungsquelle 27 vorgesehen.The actuator 14 performing amplifier circuit, which includes a known FET control stage, has the highest gain at the lowest drain-source resistance R _{DS of} the field effect transistor 16, because then the lowest attenuation of the amplifier 19 occurs through the negative feedback path. R _DS is controlled in an appropriate manner via the gate (control input 20) with the aid of the voltage from the cuvette 10 located in the compensation branch 7. It is possible to gain the DC control voltage in the rectifier 21 as positive or negative and to lead via an unillustrated phase shifter to the actuator 14 with the variable gain amplifier. At the output of the rectifier 15 is a temperature-compensated resistor of the measuring segment 2 proportional voltage available. For setting the zero point elevation for the signal voltage available at the outputs of the differential amplifier 28 or the downstream amplifier U 29, which corresponds to the actual resistance of the sample at the reference temperature, the reference voltage source 27 is provided.

Widerstandsschwankungen die durch Konzentrationsänderungen bedingt sind, werden am Ausgang des Gleichrichters 15 bzw. des regelbaren Verstärkers 29 als Ausgangsspannungsänderung wirksam, welche ebenfalls für das Dialysat bei Bezugstemperatur gelten. Aus ihnen werden nach Multiplikation mit dem jeweiligen Geometriefaktor bzw. der Zellkonstanten der Durchflußzelle der spezifische Widerstand der Meßflüssigkeit bei der Bezugstemperatur bzw. durch Kehrwertbildung die temperaturbezogene spezifische Leitfähigkeit gewonnen. Diese Meßwerte werden zur Anzeige, Überwachung, Alarmgabe und Regelung der Konzentration des Dialysats herangezogen.Resistance fluctuations caused by changes in concentration are effective at the output of the rectifier 15 and the controllable amplifier 29 as output voltage change, which also apply to the dialysate at reference temperature. From them, the specific resistance of the measuring liquid at multiplication by the respective geometric factor or the cell constant of the flow cell at the reference temperature or by reciprocal value, the temperature-related specific conductivity obtained. These measured values are used to display, monitor, alarm and control the concentration of dialysate.

Claims

1 flow cell for measuring the concentration of flowing liquids in the measured values are related to a predetermined temperature / wherein the equipped with electrodes, consisting of electrically insulated material good thermal conductivity, belonging to ¹ Kompensationzweig cuvette immersed in the flow cell perpendicular to its longitudinal axis in the measuring liquid, the to the measuring branch belonging electrodes in the flow cell are gerodnet and at least the measuring branch is connected to a differential amplifier, characterized in that the measuring branch (4) contains a multiplicative actuator (14) whose control input (20) with the compensation branch (7) and its output are connected to a differential amplifier (28).

2. Flow cell according to item 1, characterized in that the differential amplifier (28) is preceded by a reference voltage source (27).

3. Flow cell according to item 1, characterized in that in the compensation branch (7) between the differential amplifier (22) and the rectifier (21) a controllable voltage divider (23) and an amplifier (30) are arranged.