DE10152832A1

DE10152832A1 - System zur Bestimmung der Oberflächenspannung einer Lösung, insbesondere einer Tensidlösung

Info

Publication number: DE10152832A1
Application number: DE10152832A
Authority: DE
Inventors: Rainer Bicker
Original assignee: Miele und Cie KG
Current assignee: Miele und Cie KG
Priority date: 2000-05-10
Filing date: 2001-10-25
Publication date: 2003-05-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Bestimmung der Oberflächenspannung einer in einem Behälter befindlichen Lösung, insbesondere einer Tensidlösung (Waschlauge 1), nach der Blasendruckmethode, mit einer Kapillare (4) zur Einleitung eines gasförmigen Volumenstroms in die Lösung und einem Drucksensor zur Ermittlung des zeitabhängigen Druckverlaufs dieses Volumenstroms während der Blasenbildung, wobei die Kapillare in einer Blasenkammer (2) mündet, welche mit der Saugseite einer Pumpe (3) zur Erzeugung eines über die Mündungshöhe der Kapillaren (4) ansteigenden Flüssigkeitssäule in Verbindung steht, wobei die der Blasenkammer (2) gegenüberliegende Öffnung der Kapillare (4) in eine Messkammer (5) mündet, an die ein Drucksensor (6) angeschlossen ist und die über eine Drossel (7) mit dem umgebenden atmosphärischen Luftdruck (Umgebungsdruck p¶0¶) in Verbindung steht, und wobei die Messkammer (5) über einen Bypass (9) mit der Blasenkammer (2) oberhalb der Mündungshöhe der Kapillaren (4) verbunden ist, nach Hauptpatent (Patentanmeldung 10022863.1). Um Verbesserungen hinsichtlich der Linearität des Druckverlaufs zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass die Pumpe im Bypass (9) angeordnet ist und dass in der Messkammer (5) zwischen der Kapillare (4) bzw. dem Drucksensor (6) und der Pumpe (3) bzw. der Drossel (7) eine weitere Drossel (13) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Bestimmung der Oberflächenspannung einer in einem Behälter befindlichen Lösung, insbesondere einer Tensidlösung, nach der Blasendruckmethode, mit einer Kapillaren zur Einleitung eines gasförmigen Volumenstroms in die Lösung und einem Drucksensor zur Ermittlung des zeitabhängigen Druckverlaufs dieses Volumenstroms während der Blasenbildung, wobei die Kapillare in eine Blasenkammer mündet, welche mit der Saugseite einer Pumpe zur Erzeugung eines über die Mündungshöhe der Kapillaren ansteigenden Flüssigkeitssäule in Verbindung steht, wobei die der Blasenkammer gegenüberliegende Öffnung der Kapillare in eine Messkammer mündet, an die ein Drucksensor angeschlossen ist und die über eine Drossel mit dem umgebenden atmosphärischen Luftdruck (Umgebungsdruck p₀) in Verbindung steht, und wobei die Messkammer über einen Bypass mit der Blasenkammer oberhalb der Mündungshöhe der Kapillaren verbunden ist nach Hauptpatent (Patentanmeldung 100 22 863.1).

Bei dem in der vorgenannten Patentanmeldung beschriebenen System ist die Blasenkammer mit der Saugseite einer Pumpe verbunden. Die Druckseite dieser Pumpe mündet in die freie Umgebungsatmosphäre. Zur Variation der Blasenfrequenz sind in der vorgenannten Patentanmeldung zwei Alternativen beschrieben. Die erste Alternative besteht aus einer geregelten Pumpe, durch die der in die Messkammer mündende Luftvolumenstrom eingestellt wird. Als zweite Alternative ist zwischen der Messkammer und der Blasenkammer eine Bypassleitung angeordnet, über die ein Luftaustausch erfolgt. Über eine Drossel im Bypass wird eine Variation der Blasenfrequenz durch Verändern der Niveauhöhe des Flüssigkeitsniveaus in der Blasenkammer verursacht. Die Niveauhöhe ist abhängig vom Unterdruck in der Blasenkammer, der wiederum durch die einströmenden Blasen und eventuell durch eine zusätzliche Drossel abgebaut wird. Damit wird sichergestellt, dass sich die Blasenfrequenz auch bei ausgeschalteter Pumpe ändert.

Die Messung der zeitlichen Änderung des Druckverlaufs bei ausgeschalteter Pumpe (zweite Alternative) ist vorteilhafter, da hier auf eine teure Regelung der Pumpe verzichtet werden kann. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass Störungen im Drucksignal durch das Schlagen der Pumpenmembran vermieden werden.

Allerdings zeigt sich bei der Dimensionierung der Vorrichtung, dass es bei geringen Blasenfrequenzen zu Nichtlinearitäten kommt. Die Ursache dafür liegt in der Rückwirkung des durch die Oberflächenspannung ansteigenden Gegendrucks der Flüssigkeit während der Erzeugung der Blase. Durch den Gegendruck nimmt die Druckdifferenz an der zwischen Atmosphäre und Messkammer angeordneten Drossel ab. Damit sinkt der Luftvolumenstrom durch diese Drossel entsprechend, was wiederum dazu führt, dass die Blase mit ansteigendem Gegendruck immer langsamer gefüllt wird. Das wiederum macht sich als Sättigungserscheinung im Druckanstieg bemerkbar. Abhilfe schafft hier die Verwendung einer Drossel mit geringerem Querschnitt in Verbindung mit einer größeren Druckdifferenz. Allerdings ist die Druckdifferenz durch die geometrische Anordnung vorgegeben. Durch die Anbringung der Kapillare in einer bestimmten Höhe gegenüber dem Flüssigkeitsspiegel ist die Druckdifferenz zwischen der Atmosphäre und dem hydrostatischen Druck in der Flüssigkeit festgelegt. Ist die Bauhöhe des Sensors z. B. durch Außenabmessungen des Gerätegehäuses, in dem der Sensor eingesetzt werden soll, begrenzt, so ist der erzeugbaren Druckdifferenz ebenfalls eine Grenze gesetzt.

Der Erfindung stellt sich somit das Problem, ein System zur Bestimmung der Oberflächenspannung der eingangs genannten Art zu offenbaren, bei dem Verbesserungen hinsichtlich der Linearität des Druckverlaufs erreichbar sind.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch ein System mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ergibt sich aus dem nachfolgenden Unteranspruch.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in einer Zeichnung rein schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben.
Die Figur zeigt einen Behälter, beispielsweise den Laugenbehälter einer Waschmaschine, in dem sich eine Lösung in Form eines Waschmittel-Wasser-Gemischs befindet (im folgenden als Waschlauge (1) bezeichnet). Sie ist hier schraffiert dargestellt. In den Laugenbehälter mündet unterhalb des Normalniveaus der Waschlauge (1) eine Blasenkammer (2). Das gegenüberliegende Ende der Blasenkammer (2) ragt aus der Waschlauge (1) heraus und wird durch eine Drossel (8) verschlossen. In die Blasenkammer (2) mündet in der Höhe h_K eine Kapillare (4). Diese steht auf der Seite (4b), die der Blasenkammer (2) gegenüberliegt, mit einer Messkammer (5) in Verbindung, an die ein Drucksensor (6) angeschlossen ist und die durch eine Drossel (7) mit dem umgebenden atmosphärischen Luftdruck (Umgebungsdruck) in Verbindung steht. Die Kapillare (4) dient zur Blasenerzeugung. Die Messkammer (5) ist über einen Bypass (9) mit der Blasenkammer (2) verbunden. In diesen Bypass (9) ist eine Pumpe (3) derart angeordnet, dass ihre Saugseite zur Blasenkammer (2) und ihre Druckseite zur Messkammer (5) gerichtet ist. Der vordere Bereich der Messkammer (5), der den Anschluss des Drucksensors (6) und den Übergang zur Kapillaren (4) beinhaltet, ist vom hinteren Bereich, der den Anschluss des Bypasses (9) und die durch die Drossel (7) verschlossene Öffnung beinhaltet, durch eine weitere Drossel (13) getrennt. Außerdem ist dieser Bereich hinsichtlich seines Volumens zu einer Druckkammer erweitert.
Mit Hilfe der Pumpe (3) wird durch den Bypass (9) in der Blasenkammer (2) ein Unterdruck erzeugt. Dadurch wird die zu messende Flüssigkeit auf eine Höhe h_W angesaugt, die über der Höhe h_K der Kapillaren (4) liegt. Um das Ansaugen überhaupt erst zu ermöglichen, ist die Drossel (7) erforderlich. Würde durch sie keine Luft entweichen, so wäre es auch nicht möglich, ein entsprechendes Flüssigkeitsvolumens anzusaugen. Während des Ansaugens wird gleichzeitig in der Druckkammer (12) ein Überdruck erzeugt. Dadurch ergibt sich an der Drossel (13) eine Druckdifferenz, die zu einem entsprechenden Luft-Volumenstrom durch diese Drossel führt. Die Luft gelangt dann weiter in die Kapillare (4) und tritt dann in Form von Blasen in die zu messende Flüssigkeit in der Blasenkammer (2). Wird die Pumpe ausgeschaltet, so wird der Druck im Volumen (12) mit der Zeit abgebaut. Das liegt daran, dass Luft durch die Drossel (13) und die sich daran anschließende Kapillare (4) sowie durch die Drossel (7) entweicht. Entsprechend dem geringer werdenden Druck wird auch die Druckdifferenz an der Drossel (13) geringer, wodurch die Blasenfrequenz sinkt. Sobald der Überdruck im Volumen (12) abgebaut ist, kehrt sich die Strömungsrichtung in der Drossel (7) um. Das liegt daran, dass in Höhe h_K der Kapillaren (4) ein der Höhe entsprechender Unterdruck gegenüber der Umgebung herrscht. Daher wird durch den höheren atmosphärischen Luftdruck Luft durch die Drosseln (7), (13) und die Kapillare (4) in die zu messende Flüssigkeit geleitet. Damit ist der Punkt der langsamsten Blasenbildung bzw. der geringsten Blasenfrequenz erreicht. So ist der Scan der Oberflächenspannung (aus dem Signal des Drucksensors (6)) beginnend mit der höchsten Blasenfrequenz bis hin zur geringsten Blasenfrequenz sichergestellt. Während die Messung durchgeführt wird, sinkt der Flüssigkeitsstand in der Blasenkammer (2), da zum einen die Blasenkammer durch die Drossel (8) belüftet wird und weil ein Teil der Flüssigkeit durch die aufsteigenden Blasen verdrängt wird.
Eine besondere Bedeutung kommt bei der Anordnung der Dimensionierung der Drosseln zu. Sie müssen exakt ausgelegt werden, damit alle Funktionen (Ansaugen der Flüssigkeit, Zurücklaufen der Flüssigkeit in einer definierten Zeit, maximale und minimale Blasenfrequenz) zufriedenstellend realisiert werden können. Eine rechnerische Simulation als auch Praxis- Versuche zeigen eindeutig, dass es möglich ist, durch geeignete Dimensionierung mit dieser Anordnung alle geforderten Funktionen zu realisieren. Insbesondere ist es möglich, bei dieser Anordnung eine Drossel (13) mit geringem Durchlassquerschnitt zu verwenden. Bei einem kleineren Durchlassquerschnitt ist es gleichzeitig nötig, zur Erzeugung einer bestimmten Blasenfrequenz eine bestimmte Druckdifferenz bereitzustellen, was hier durch die Anordnung des Volumens (12) auf der Druckseite der Pumpe vorteilhaft ermöglicht wird. Daraus ergibt sich wiederum eine besonders gute Linearität der Druckverläufe auch bei kleinen Blasenfrequenzen.

Claims

1. System zur Bestimmung der Oberflächenspannung einer in einem Behälter befindlichen Lösung, insbesondere einer Tensidlösung (Waschlauge 1), nach der Blasendruckmethode, mit einer Kapillare (4) zur Einleitung eines gasförmigen Volumenstroms in die Lösung und einem Drucksensor zur Ermittlung des zeitabhängigen Druckverlaufs dieses Volumenstroms während der Blasenbildung, wobei die Kapillare (4) in eine Blasenkammer (2) mündet, welche mit der Saugseite einer Pumpe (3) zur Erzeugung eines über die Mündungshöhe der Kapillaren (4) ansteigenden Flüssigkeitssäule in Verbindung steht, wobei die der Blasenkammer (2) gegenüberliegende Öffnung der Kapillare (4) in eine Messkammer (5) mündet, an die ein Drucksensor (6) angeschlossen ist und die über eine Drossel (7) mit dem umgebenden atmosphärischen Luftdruck (Umgebungsdruck p₀) in Verbindung steht, und wobei die Messkammer (5) über einen Bypass (9) mit der Blasenkammer (2) oberhalb der Mündungshöhe der Kapillaren (4) verbunden ist, nach Hauptpatent (Patentanmeldung 100 22 863.1) dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe im Bypass (9) angeordnet ist und dass in der Messkammer (5) zwischen der Kapillaren (4) bzw. dem Drucksensor (6) und der Pumpe (3) bzw. der Drossel (7) eine weitere Drossel (13) angeordnet ist.

2. System zur Bestimmung der Oberflächenspannung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (Druckkammer 12) zwischen der Drossel (7) und der weiteren Drossel (13) ein gegenüber der Messkammer erweitertes Volumen besitzt.