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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen der Konzentration einer flüssigen Komponente in einem Flüssigkeitsgemisch nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.
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Derartige Verfahren und Vorrichtungen zum Bestimmen der Konzentration einer flüssigen Komponente in einem Flüssigkeitsgemisch sind beispielsweise aus der Praxis bekannt. Bei dem System ”Paar-Haeräus” wird aus der Schwingungsdauer eines mit dem Flüssigkeitsgemisch gefüllten Glasröhrchens letztlich auf die gesuchte Konzentration der flüssigen Komponente in dem Flüssigkeitsgemisch geschlossen. Gemäß einer anderen Vorrichtung kommt ein radiometrisches Verfahren, das mit radioaktiven Substanzen arbeitet, zur Anwendung. Die Anschaffungskosten für die nach den vorgenannten Verfahren arbeitenden Vorrichtungen liegen etwa zwischen DM 20.000,- und DM 30.000,-. Zudem sind diese Vorrichtungen kompliziert aufgebaut und im Betrieb relativ empfindlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art anzugeben, das einfacher und kostengünstiger durchführbar ist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte sind einfach und mit geringem Aufwand durchzuführen. Sie können auch von ungelerntem Personal oder auch vollautomatisch realisiert werden.
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Vorteilhafterweise wird die Dichte ρL des Flüssigkeitsgemisches mittels der Beziehung ρL = pi/(g × H) bestimmt. Anhand der vorgenannten Beziehung läßt sich die Dichte des Flüssigkeitsgemisches besonders einfach aus dem gemessen Druck pi und der Höhe H der Flüssigkeissäule bestimmen, da die Erdbeschleunigung g vorgegeben ist. Aus dieser Beziehung ergibt sich die Dichte ρL in kg/m3, sofern der Druck pi in N/m2, die Erdbeschleunigung in m/s2 und die Höhe H in m in die vorgenannte Beziehung eingesetzt werden. Ein derartiges Bestimmen der Dichte des Flüssigkeitsgemisches kann somit besonders einfach auch von mathematisch nicht vorgebildeten Personen durchgeführt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird die Konzentration der flüssigen Komponente über eine formelmäßige, vorzugsweise eingespeicherte Beziehung oder ein Diagramm bestimmt, in welchem die Dichte des Flüssigkeitsgemisches in Abhängigkeit von der Temperatur über der Konzentration der flüssigen Komponente aufgetragen ist. Bei ermittelter oder bekannter Dichte des Flüssigkeitsgemisches läßt sich also die Konzentration der gesuchten flüssigen Komponente im Flüssigkeitsgemisch einfach bestimmen, sofern die Abhängigkeit der Dichte des Flüssigkeitsgemisches von der Temperatur und der Konzentration der gesuchten Komponente bekannt ist. Auch dieser Schritt verlangt keine besonderen Vorkenntnisse und kann daher auch von Hilfspersonal durchgeführt werden.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung wird die Höhe der Flüssigkeitssäule bei Dichten des Flüssigkeitsgemisches von weniger als 1000 kg/m3 auf etwa 1 m und bei Dichten des Flüssigkeitsgemisches ab 1000 kg/m3 auf etwa 0,1 bis 0,3 m festgelegt. Damit kann die gesuchte Konzentration der flüssigen Komponente im Flüssigkeitsgemisch bereits bei vergleichsweise geringen Höhen der Flüssigkeitssäule des Flüssigkeitsgemisches bestimmt werden. Da der Durchmesser der Flüssigkeitssäule relativ klein ausgebildet sein kann, ist demnach zum Bestimmen der Konzentration der flüssigen Komponente lediglich eine relativ kleine Flüssigkeitsmenge, d. h. ein relativ kleines Volumen des Flüssigkeitsgemisches, erforderlich.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vor allem im Vergleich zu den vorerwähnten, aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen besonders einfach aufgebaut. Dies gilt sowohl für den Behälter zum Aufnehmen des Flüssigkeitsgemisches als auch für die am Behälter vorzusehenden Anschlüsse zum Messen des Druckes bzw. zum Messen der Temperatur. Die erforderlichen Druck- und Temperaturmeßfühler sind auf dem Markt weit verbreitet und aus dem Fachhandel ohne weiteres beziehbar. Es können herkömmliche Meßfühler zur Anwendung kommen. Spezielle Ausführungen sind zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht erforderlich.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind der erste und der zweite Anschluß auf der gleichen Höhe unterhalb der Oberfläche des Flüssigkeitsgemisches angeordnet und vom Boden des Behälters beabstandet. Damit ist zum einen sichergestellt, daß Druck und Temperatur etwa an derselben Stelle im Flüssigkeitsgemisch, zumindest aber in derselben horizontalen Ebene ermittelt werden; zum andern sind die beiden Anschlüsse durch die Beabstandung zum Boden weitgehend vor Verschmutzungen, wie z. B. Staub- und Dreckpartikel, geschützt, welche sich vornehmlich am Boden des Behälters ablagern.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung weist der Behälter einen Überlauf auf und ist das Flüssigkeitsgemisch kontinuierlich in den Behälter einleitbar. Damit ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zur kontinuierlichen Dichtemessung bzw. Konzentrationsbestimmung einsetzbar. Die Flüssigkeitsmenge, welche in den Behälter eingegeben wird, verläßt diesen über den Überlauf so daß das im Behälter vorliegende Volumen des Flüssigkeitsgemisches etwa konstant ist. Damit ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch für die tägliche Praxis geeignet, wo Konzentrationsmessungen im normalen Betriebsablauf häufiger durchzuführen sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung hat der Behälter zum kontinuierlichen Einleiten des Flüssigkeitsgemisches ein Rohr, das in das bereits im Behälter befindliche Flüssigkeitsgemisch eintaucht und in diesem Bereich mehrere Durchgangsbohrungen aufweist, durch die das frisch zugeführte Flüssigkeitsgemisch in das bereits im Behälter befindliche Flüssigkeitsgemisch eintritt. Durch die mehreren im Rohr vorgesehenen Durchgangsbohrungen kommt es zu einer weitgehend gleichmäßigen Verteilung des frisch zugeführten Flüssigkeitsgemisches in dem bereits im Behälter befindlichen Flüssigkeitsgemisch. Eine gute bzw. gleichmäßige Durchmischung des Flüssigkeitsgemisches im Behälter ist für die Genauigkeit der Konzentrationsbestimmung der flüssigen Komponente im Flüssigkeitsgemisch wichtig. Diese läßt sich durch die Anordnung und Ausbildung der Durchgangsbohrungen im Rohr des Behälters erreichen, was einen positiven Effekt auf die Genauigkeit der Konzentrationsbestimmung zur Folge hat.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung nimmt die Summe der Querschnittsflächen der Durchgangsbohrungen mit deren Abstand zur Oberfläche des Flüssigkeitsgemisches, d. h. mit der Höhe der Flüssigkeitssäule, zu. Dadurch ist sichergestellt, daß auch tieferliegende Durchgangsbohrungen zur Verteilung des frisch zugeführten Flüssigkeitsgemisches beitragen können, so daß das Flüssigkeitsgemisch über die gesamte Höhe der Flüssigkeitssäule gut durchmischt werden kann.
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Vorteilhafterweise ist der Behälter säulenförmig ausgebildet und weist eine vertikale, zentrale Längsachse auf, die mit derjenigen des Rohres fluchtet. Durch die säulenförmige Ausbildung des Behälters läßt sich die Konzentrationsbestimmung auch bei relativ geringen Volumina des Flüssigkeitsgemisches durchführen. Geringe Volumina des Flüssigkeitsgemisches tragen im Sinne einer Doppelwirkung aber auch dazu bei, daß das jeweilige im Behälter befindliche Flüssigkeitsgemisch leichter durchmischt werden kann, da die einzelnen Flüssigkeitspartikel durch den Storm des frisch zugeführten Flüssigkeitsgemisches schneller als bei großen Volumina aufeinander treffen können.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist das untere Ende des Rohres geschlossen und vom Boden des Behälters beabstandet. Damit kann das frisch zugeführte Flüssigkeitsgemisch etwa horizontal aus dem Rohr in das bereits im Behälter befindliche Flüssigkeitsgemisch eintreten. Ein Aufwühlen der sich am Boden des Behälters ablagernden Staub- und/oder Dreckpartikel ist durch den Verschluß des unteren Endes des Rohres weitgehend verhindert. Dadurch ist auch ein Verschmutzen der Anschlüsse zum Messen des Drucks und der Temperatur weitgehend ausgeschlossen.
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Vorteilhafterweise hat die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Recheneinheit zum automatischen Bestimmen der Konzentration einer flüssigen Komponente in dem Flüssigkeitsgemisch, in deren Speicher die Abhängigkeit der Dichte von dem gemessenen Druck, der Höhe der Flüssigkeitssäule und der Erdbeschleunigung sowie die Abhängigkeit der Konzentration der flüssigen Komponente von der Dichte und der gemessenen Temperatur einlesbar ist. Damit kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch vollautomatisch arbeiten, so daß es möglich ist, die gesuchte Konzentration der flüssigen Komponente selbsttätig zu ermitteln und den bestimmten Wert als Steuergröße für weitere Regelprozesse einzusetzen
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Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische, teilweise im Schnitt gezeigte Seitenansicht einer Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum Bestimmen der Konzentration einer flüssigen Komponente in einem Flüssigkeitsgemisch; und
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2 ein Diagramm, in welchem die Dichte des Flüssigkeitsgemisches in Abhängigkeit von der Temperatur über der Konzentration der flüssigen Komponente aufgetragen ist.
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In 1 ist eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht einer Vorrichtung 1 zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen der Konzentration xi einer flüssigen Komponente in einem Flüssigkeitsgemisch 2 dargestellt. Das Flüssigkeitsgemisch ist vorzugsweise aber nicht ausschließlich ein binäres Gemisch.
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Die Vorrichtung 1 hat einen das Flüssigkeitsgemisch 2 aufnehmenden Behälter 3 mit einer vertikalen Längsachse 4. Der Behälter 3 ist wärmeisoliert, so daß das im Behälter befindliche Flüssigkeitsgemisch als isotherm bzw. adiabatisch angesehen werden kann.
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Der Behälter weist eine umfangsseitige Seitenwand 5 sowie einen mit dieser verbundenen Boden 6 und einen Deckel 7 auf, der auf der Oberseite 10 des Behälters 3 aufliegt. Der Boden 6 ist mit einem Absperrventil 11 versehen, über das das in dem Behälter befindliche Flüssigkeitsgemisch aus dem Behälter vollständig abgelassen werden kann. Ferner ist der Deckel 7 mit einem Entlüftungsventil 12, auch Entgasungsventil genannt, versehen. Insbesondere wenn das Flüssigkeitsgemisch unter Druck steht, kann der Deckel 7 auch fest mit dem Behälter 3 verbunden sein, so daß der im Behälter befindliche Druck bei geschlossenem Deckel nicht entweichen kann. Sofern der Behälter zu entlüften ist, kann dazu das am Deckel vorgesehene Entlüftungsventil 12 verwendet werden.
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Die Vorrichtung 1 hat ferner einen ersten Anschluß 13 zum Messen des Druckes pi in dem Flüssigkeitsgemisch 2. Dieser Anschluß ist auf einer Höhe H unterhalb der Oberfläche 14 des Flüssigkeitsgemisches 2 angeordnet. Ferner hat die Vorrichtung 1 einen zweiten Anschluß 15 zum Messen der Temperatur Ti des Flüssigkeitsgemisches 2, welcher gemäß 1 auf der dem ersten Anschluß gegenüberliegenden Seite und auf der gleichen Höhe H unterhalb der Oberfläche 14 des Flüssigkeitsgemisches 2 angeordnet ist. Beide Anschlüsse 13, 15 sind vom Boden 6 des Behälters 3 beabstandet, befinden sich also oberhalb des Bodens.
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Nahe seiner Oberseite 10 hat der Behälter 3 ferner einen Überlauf 16, so daß das Flüssigkeitsgemisch 2 kontinuierlich in den Behälter 3 ein- und aus diesem ableitbar ist. Dazu weist der Behälter 3 ferner ein zentrales Rohr 17 auf, dessen Oberseite mit einer Rohrleitung 20 zum kontinuierlichen oder, falls gewünscht, auch chargenweisen Einleiten des Flüssigkeitsgemisches verbunden ist.
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Gemäß 1 taucht das Rohr 17 nahezu vollständig in das bereits im Behälter 3 befindliche Flussigkeitsgemisch 2 ein. In seinem in das Flüssigkeitsgemisch eintauchenden Bereich hat das Rohr mehrere Durchgangsbohrungen 21, durch die das frisch zugeführte Flüssigkeitsgemisch in das bereits im Behälter 3 befindliche Flüssigkeitsgemisch gemäß den Pfeilen A eintreten kann. Die Summe der Querschnittsflächen der Durchgangsbohrungen 21 nimmt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit dem Abstand der Durchgangsbohrungen von der Oberfläche 14 des Flüssigkeitsgemisches 2 zu. So können im oberen Bereich des Rohres 17 beispielsweise wenige Durchgangsbohrungen mit kleinem Durchmesser, im mittleren Längenbereich des Rohres Durchgangsbohrungen mit mittlerem Durchmesser und im unteren Bereich des Rohres 17 zahlreiche Durchgangsbohrungen mit größerem Durchmesser vorgesehen sein. Insofern kann die Anzahl und der Durchmesser der Durchgangsbohrungen über die Länge des in das Flüssigkeitsgemisch eintauchenden Rohres 17 variieren.
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Gemäß 1 ist der Behälter 3 säulenförmig ausgebildet. Die vertikale, zentrale Längsachse 4 des Behälters fällt mit der vertikalen Längsachse des Rohres 17 zusammen. Wie ferner in 1 gezeigt, ist das untere Ende 22 des Rohres 17 verschlossen und vom Boden 6 des Behälters 3 beabstandet. Die Anschlüsse 13 und 15 liegen vorzugsweise oberhalb des unteren Endes 22 des Rohres 17.
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Der Behälter 3 hat beispielsweise einen Durchmesser zwischen 50 und 100 mm. Der Durchmesser des Rohres 17 beträgt beispielsweise zwischen 10 und 50 mm. Der Durchmesser der Durchgangsbohrungen 21 beträgt vorzugsweise zwischen 5 und 20 mm. Das frisch zugeführte Flüssigkeitsgemisch wird über die Rohrleitung 20 in das Rohr 17 etwa mit einem Durchsatz von beispielsweise 5 bis 100 l/h eingeleitet.
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Die Höhe H, d. h. der Abstand der Anschlüsse 13 und 15 von der Oberfläche 14 des im Behälter befindlichen Flüssigkeitsgemisches 2, beträgt bei Dichten des Flüssigkeitsgemisches von weniger als 1000 kg/m3 etwa 1 m und bei Dichten des Flüssigkeitsgemisches ab 1000 kg/m3 etwa 0,1 bis 0,3 m. Es ist klar, daß bei einer kontinuierlichen Zuführung des Flüssigkeitsgemisches in den Behälter über das Rohr 17 und dessen Durchgangsbohrungen 21 die über den Überlauf 16 aus dem Behälter 3 abgezogene Flüssigkeitsmenge aufgrund der Kontinuitätsgleichung der in den Behälter frisch zugeführten Flüssigkeitsmenge entspricht.
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Am Boden 6 des Behälters 3 können sich Verunreinigungen oder Verschmutzungen beispielsweise in Form von Staub oder Dreck ablagern. Derartige Verunreinigungen beeinflussen die Dichte des Flüssigkeitsgemisches 2 jedoch nur wenig. Auch die Strömungsgeschwindigkeit hat auf die Bestimmung der Dichte des Flüssigkeitsgemisches bzw. auf die Bestimmung der Konzentration einer flüssigen Komponente in dem Flüssigkeitsgemisch nur wenig Einfluß. Wichtig ist eine gute Durchmischung der im Behälter befindlichen Flüssigkeit, wozu auch die zahlreichen im Rohr 17 vorgesehenen Durchgangsbohrungen, welche über die Mantelfläche des Rohres verteilt angebracht sind, beitragen können.
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Gemäß einer bevorzugten, nicht näher gezeigten Ausführungsform der Erfindung hat die Vorrichtung 1 ferner eine Recheneinheit zum automatischen Bestimmen der Konzentration einer flüssigen Komponente in dem Flüssigkeitsgemisch 2. In den Speicher einer solchen Recheneinheit ist die Abhängigkeit der Dichte ρL von dem gemessenen Druck pi, der Höhe H und der Erdbeschleunigung g sowie die Abhängigkeit der Konzentration xi der flüssigen Komponente von der Dichte ρL und der gemessenen Temperatur Ti einlesbar.
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Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen der Konzentration xi einer flüssigen Komponente i in einem Flüssigkeitsgemisch 2 näher erläutert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf folgenden Schritten:
- a) Messen des Druckes pi und der Temperatur Ti in einer aus dem Flüssigkeitsgemisch gebildeten Flüssigkeitssäule;
- b) Bestimmen der Höhe H der Flüssigkeitssäule oberhalb der Stelle zum Messen des Drukkes pi gemäß Schritt a);
- c) Bestimmen der Dichte ρL des Flüssigkeitsgemisches aus dem gemäß Schritt a) ermittelten Druck pi, der gemäß Schritt b) bestimmten Höhe H und der Erdbeschleunigung g;
- d) Bestimmen der Konzentration xi der flüssigen Komponente aus der gemäß c) bestimmten Dichte ρL und der gemäß Schritt a) ermittelten Temperatur Ti.
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Vorzugsweise wird die Dichte ρL des Flüssigkeitsgemisches gemäß Schritt c) mittels der Beziehung ρL = pi/(g × H) bestimmt. Da die Höhe H aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung bekannt oder vorgegeben ist, läßt sich die Dichte ρL des Flüssigkeitsgemisches gemäß vorstehender Beziehung also ohne weiteres in Abhängigkeit von dem am ersten Anschluß 13 gemessenen Druck pi im Vergleich zu dem oberhalb des Flüssigkeitsgemisches herrschenden Druck, beispielsweise dem Umgebungsdruck, bestimmen.
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Die gesuchte Konzentration xi der flüssigen Komponente 1 gemäß Schritt d) wird über eine formelmäßige, vorzugsweise in die vorerwähnte Recheneinheit der Vorrichtung eingespeicherte Beziehung oder ein Diagramm bestimmt. Ein solches Diagramm ist schematisch beispielhaft in 2 gezeigt. In dem Diagramm gemäß 2 ist die Dichte ρL des Flüssigkeitsgemisches schematisch in Abhängigkeit von der Temperatur T über der Konzentration x der flüssigen Komponente aufgetragen. Sofern die Dichte ρL des Flüssigkeitsgemisches aus der vorgenannten Beziehung über die Höhe H und den gemessenen Druck pi bekannt ist, kann die gesuchte Konzentration xi der flüssigen Komponente bei der gemessenen Temperatur Ti = T1 aus dem Schaubild gemäß 2 ermittelt werden. Bei der Temperatur Ti = T2 hätte sich für dieselbe Dichte ρL aus dem Diagramm die Konzentration x'i ergeben.
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Wie zuvor bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erwähnt, wird die Höhe H der Flüssigkeitssäule bei Dichten des Flüssigkeitsgemisches von weniger als 1000 kg/m3 auf etwa 1 m und bei Dichten des Flüssigkeitsgemisches ab 1000 kg/m3 vorzugsweise auf etwa 0,1 bis 0,3 m festgelegt.
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Bei gemessenen Drücken pi zwischen 0 und 0,01 bar kann die Höhe H etwa 5 cm, bei gemessenen Drücken pi zwischen 0 und 0,16 bar vorzugsweise etwa 1 m betragen. Wie zuvor erwähnt, kann das Diagramm gemäß 2 auch als Formel in den Speicher einer Recheneinheit, insbesondere in einen Personal Computer, eingelesen werden. Die Dichtemessung und damit auch die Bestimmung der Konzentration der flüssigen Komponente ist sehr genau durchführbar, so daß letztlich bei der Ermittlung der Konzentration Abweichungen von lediglich 0,1 Gew.-% realisierbar sind.
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Mit Blick auf die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 wird das Flüssigkeitsgemisch 2 über die Rohrleitung 20 in das Rohr 17 eingeleitet. Das Flüssigkeitsgemisch gelangt dann über die Durchgangsbohrungen 21 in den Behälter 3. Der Pegel des Flüssigkeitsgemisches, d. h. die Oberfläche 14 des Gemisches, steigt so weit an, bis die Oberfläche den Überlauf 16 erreicht, so daß durch den Überlauf eine Flüssigkeitsmenge abfließt, welche derjenigen der frisch durch die Rohrleitung 20 und das Rohr 17 zugeführten Flüssigkeitsmenge entspricht. Es ist klar, daß vor dem Einleiten des Flüssigkeitsgemisches 2 in den Behälter 3 das Absperrventil 11 geschlossen wird. Bei auf dem Behälter 3 aufliegendem Deckel 7 wird zumindest während des Auffüllens des Behälters 3 mit dem Flüssigkeitsgemisch das Entlüftungsventil 12 geöffnet, damit die im Behälter 3 durch das Flüssigkeitsgemisch verdrängte Luft in die Umgebung entweichen kann.
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Sobald im Behälter 3 etwa konstante Verhältnisse herrschen, wird am ersten Anschluß 13 der Druck pi und am zweiten Anschluß 15 die Temperatur Ti gemessen. Mit dem für den Druck pi ermittelten Wert und der Höhe H wird dann über die vorerwähnte Beziehung und die Erdbeschleunigung die Dichte ρL des Flüssigkeitsgemisches bestimmt. Über den derart ermittelten Wert für die Dichte ρL wird dann beispielsweise aus 2 mittels der zuvor an dem zweiten Anschluß 15 gemessenen Temperatur Ti, welche beispielsweise T1 oder T2 ist, die Konzentration xi bei der Temperatur T1 bzw. x'i bei der Temperatur T2 ermittelt.
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Damit ist ein Verfahren zum Bestimmen der Konzentration einer flüssigen Komponente in einem Flüssigkeitsgemisch geschaffen, das einfach, kostengünstig und genau durchführbar ist. Mit dazu bei trägt die zuvor erläuterte Vorrichtung.
