DE10152832A1

DE10152832A1 - System for determining surface tension in a solution, especially a washing or surfactant solution, using the bubble pressure method, whereby a more linear pressure gradient is obtained by repositioning the pump and adding a choke

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

System for determining the surface tension of a solution contained in a container, especially a surfactant solution (1) or suds of a washing machine. The system uses the bubble pressure method as described in DE10022863.1. To improve the method the pump for generation of a volume flow is arranged in the bypass (9) and an additional choke (13) is arranged in the in the pressure measurement chamber (5) between the capillary (4) or pressure sensor (6) and the pump (3).

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). The invention relates to a system for determining the surface tension of a solution in a container, in particular a surfactant solution, according to the bubble pressure method, with a capillary for introducing a gaseous volume flow into the solution and a pressure sensor for determining the time-dependent pressure profile of this volume flow during the formation of bubbles, whereby the capillary opens into a bladder chamber which is connected to the suction side of a pump for generating a liquid column rising above the mouth height of the capillaries, the opening of the capillary opposite the bladder chamber opening into a measuring chamber to which a pressure sensor is connected and which via a Throttle is connected to the surrounding atmospheric air pressure (ambient pressure p ₀ ), and the measuring chamber is connected to the bladder chamber via a bypass above the mouth height of the capillaries according to the main patent (patent application 1 00 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. In the system described in the aforementioned patent application is the bladder chamber connected to the suction side of a pump. The pressure side of this pump opens into the free one Ambient atmosphere. To vary the bubble frequency are in the aforementioned Patent application two alternatives described. The first alternative consists of a regulated one Pump, through which the air volume flow opening into the measuring chamber is adjusted. As the second alternative is a bypass line between the measuring chamber and the bladder chamber arranged, via which an air exchange takes place. A variation is created via a throttle in the bypass the bubble frequency by changing the level of the liquid level in the Bladder chamber caused. The level is dependent on the negative pressure in the bladder chamber, the again by the inflowing bubbles and possibly by an additional throttle is broken down. This ensures that the bubble frequency changes even when the Pump changes.

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. The measurement of the change in pressure over time with the pump switched off (second Alternative) is more advantageous because expensive pump control is not required can. Another advantage is that interference in the pressure signal by the Hitting the pump membrane can be avoided.

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. However, the dimensioning of the device shows that it is small Bubble frequencies come to nonlinearities. The reason for this lies in the retroactive effect of the surface tension of the rising back pressure of the liquid during production the bubble. Due to the back pressure, the pressure difference between the atmosphere and Throttle arranged from the measuring chamber. This reduces the air volume flow through this throttle accordingly, which in turn leads to the bladder always increasing with back pressure is filled more slowly. This in turn manifests itself as a sign of saturation in the pressure increase noticeable. This can be remedied by using a throttle with a smaller cross section Connection with a larger pressure difference. However, the pressure difference is due to the geometric arrangement given. By placing the capillary in a certain Height relative to the liquid level is the pressure difference between the atmosphere and the hydrostatic pressure in the liquid. Is the height of the sensor z. B. by the external dimensions of the device housing in which the sensor is to be used, is limited, the pressure difference that can be generated is also limited.

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. The invention thus presents the problem of a system for determining the Reveal surface tension of the type mentioned, with improvements in terms of Linearity of the pressure curve can be achieved.

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. According to the invention, this problem is solved by a system with the features of Claim 1 solved. An advantageous embodiment and development of the invention results from the following subclaim.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in einer Zeichnung rein schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. An embodiment of the invention is shown purely schematically in a drawing and is described in more detail below.

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. The figure shows a container, for example the suds container of a washing machine, in which there is a solution in the form of a detergent-water mixture (hereinafter referred to as detergent solution ( 1 )). It is shown hatched here. A bubble chamber ( 2 ) opens into the tub below the normal level of the wash liquor ( 1 ). The opposite end of the bladder chamber ( 2 ) protrudes from the wash liquor ( 1 ) and is closed by a throttle ( 8 ). A capillary ( 4 ) opens into the bladder chamber ( 2 ) at a height h _K. On the side (4b) opposite the bladder chamber ( 2 ), this is connected to a measuring chamber ( 5 ) to which a pressure sensor ( 6 ) is connected and which is connected to the ambient atmospheric pressure (ambient pressure by a throttle ( 7 ) ) is connected. The capillary ( 4 ) is used to generate bubbles. The measuring chamber ( 5 ) is connected to the bladder chamber ( 2 ) via a bypass ( 9 ). A pump ( 3 ) is arranged in this bypass ( 9 ) in such a way that its suction side faces the bladder chamber ( 2 ) and its pressure side faces the measuring chamber ( 5 ). The front area of the measuring chamber ( 5 ), which contains the connection of the pressure sensor ( 6 ) and the transition to the capillaries ( 4 ), is from the rear area, the connection of the bypass ( 9 ) and the opening closed by the throttle ( 7 ) includes, separated by a further throttle ( 13 ). In addition, this area is expanded to a pressure chamber in terms of its volume.

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. With the help of the pump ( 3 ), a negative pressure is generated by the bypass ( 9 ) in the bladder chamber ( 2 ). As a result, the liquid to be measured is sucked in to a height h _W which lies above the height h _{K of} the capillaries ( 4 ). The throttle ( 7 ) is required in order to make suction possible in the first place. If no air would escape through it, it would not be possible to draw in a corresponding volume of liquid. During suction, an overpressure is generated in the pressure chamber ( 12 ). This results in a pressure difference at the throttle ( 13 ), which leads to a corresponding air volume flow through this throttle. The air then enters the capillary ( 4 ) and then enters the liquid to be measured in the bubble chamber ( 2 ) in the form of bubbles. If the pump is switched off, the pressure in the volume ( 12 ) decreases over time. This is due to the fact that air escapes through the throttle ( 13 ) and the adjoining capillary ( 4 ) and through the throttle ( 7 ). Corresponding to the decreasing pressure, the pressure difference at the throttle ( 13 ) also becomes smaller, as a result of which the bubble frequency drops. As soon as the overpressure in the volume ( 12 ) is reduced, the direction of flow in the throttle ( 7 ) is reversed. This is due to the fact that at the height h _{K of} the capillaries ( 4 ) there is a negative pressure corresponding to the height in relation to the surroundings. Therefore, due to the higher atmospheric air pressure, air is directed through the throttles ( 7 ), ( 13 ) and the capillary ( 4 ) into the liquid to be measured. The point of the slowest bubble formation or the lowest bubble frequency is reached. This ensures the scan of the surface tension (from the signal of the pressure sensor ( 6 )) starting with the highest bubble frequency up to the lowest bubble frequency. While the measurement is being carried out, the liquid level in the bladder chamber ( 2 ) drops because, on the one hand, the bladder chamber is aerated by the throttle ( 8 ) and because part of the liquid is displaced by the rising bubbles.

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. The arrangement of the dimensions of the chokes is of particular importance. They have to be designed precisely so that all functions (suction of the liquid, backflow of the liquid within a defined time, maximum and minimum bubble frequency) can be implemented satisfactorily. A computational simulation as well as practical tests clearly show that it is possible to realize all required functions with this arrangement by suitable dimensioning. In particular, it is possible to use a throttle ( 13 ) with a small passage cross section in this arrangement. With a smaller passage cross section, it is also necessary to provide a certain pressure difference in order to generate a certain bubble frequency, which is advantageously made possible here by the arrangement of the volume ( 12 ) on the pressure side of the pump. This in turn results in a particularly good linearity of the pressure profiles even at low bubble frequencies.

Claims

1. System for determining the surface tension of a solution in a container, in particular a surfactant solution (wash liquor 1 ), using the bubble pressure method, with a capillary ( 4 ) for introducing a gaseous volume flow into the solution and a pressure sensor for determining the time-dependent pressure profile of this volume flow during the formation of bubbles, the capillary ( 4 ) opening into a bubble chamber ( 2 ), which is connected to the suction side of a pump ( 3 ) for generating a liquid column rising above the mouth height of the capillaries ( 4 ), the bubble chamber ( 2 ) opposite opening of the capillary ( 4 ) opens into a measuring chamber ( 5 ), to which a pressure sensor ( 6 ) is connected and which is connected via a throttle ( 7 ) to the surrounding atmospheric pressure (ambient pressure p ₀ ), and wherein the Measuring chamber ( 5 ) via a bypass ( 9 ) with the bladder chamber ( 2 ) above the muzzle Öhe of the capillary (4) is connected characterized by principal patent (Patent Application 100 22 863.1), that the pump in the bypass (9) is arranged and that in the measuring chamber (5) between the capillaries (4) or the pressure sensor (6 ) and the pump ( 3 ) or the throttle ( 7 ) a further throttle ( 13 ) is arranged.

2. System for determining the surface tension according to claim 1, characterized in that the space (pressure chamber 12 ) between the throttle ( 7 ) and the further throttle ( 13 ) has an expanded volume compared to the measuring chamber.