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Die Erfindung betrifft einen Blasendetektor, mit dem strömende Objekte und zwar insbesondere strömende Blasen in einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit ermittelt werden können. Ein in der Flüssigkeit strömendes Objekt, das mit Hilfe des Blasendetektors ermittelt werden kann, weist eine andere elektrische Leitfähigkeit auf als die Flüssigkeit.
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In der Druckschrift
DE 69223875 T2 wird eine Vorrichtung mit voneinander räumlich getrennten Elektroden in einem Flüssigkeitsstrom zur Unterscheidung zwischen leitfähiger und nicht leitfähiger Flüssigkeit beschrieben, indem eine Wechselstromspannung zwischen den Elektroden angelegt und der elektrische Widerstand bestimmt wird.
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Die Druckschrift
DE 19651355 A1 offenbart eine Verwendung einer mit einem Oszillator gekoppelten Elektrodenanordnung. Um den Anteil an ungelöster Luft in durch Schläuchen oder Leitungen strömenden Flüssigkeiten der Medizintechnik mit hoher Genauigkeit zu erfassen, wird eine Elektrodenanordnung verwendet, deren ringförmige Elektroden eine flüssigkeitsführende Leitung einfassen und deren Kapazität entsprechend dem Anteil an ungelöstem Gas an der Flüssigkeit geändert wird. Zur Bestimmung des Gasanteils wird die Kapazität gemessen und zwar in einer kapazitiven Spannungsteilerschaltung im Wege einer Amplitudenmodulation.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einfach konstruierten, zuverlässig messenden Blasendetektor zu schaffen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Blasendetektor mit den Merkmalen des ersten Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ein Blasendetektor nach Anspruch 1 umfasst eine Einrichtung für ein Ermitteln von in einer Flüssigkeit strömenden Objekten wie Blasen. Die Einrichtung ist so beschaffen, dass strömende Blasen und dergleichen in der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit detektiert werden, indem eine bewirkte elektrische Feldänderung in der Flüssigkeit gemessen wird. Der Blasendetektor umfasst eine Sendeelektrode und eine Empfangselektrode, mit denen das elektrische Feld in der Flüssigkeit erzeugt wird. Um das elektrische Feld in der Flüssigkeit zu erzeugen und Änderungen des elektrischen Felds messen zu können, wird ein elektrischer Kontakt zwischen den Elektroden und der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit geschaffen. Die Elektroden werden daher zum Beispiel in die elektrisch leitfähige Flüssigkeit eingetaucht.
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Die Einrichtung umfasst eine Ausleseelektronik, die eine Änderung eines Potentialverlaufs, also eine Änderung eines mittels der beiden Elektroden erzeugten elektrischen Feldes durch Differenzbildung zu ermitteln vermag. Eine solche Differenzbildung kann elektronisch mit besonders geringem Aufwand realisiert werden. Es kann daher ein einfach konstruierter Blasendetektor bereitgestellt werden, mit dem zuverlässig und schnell ein in der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit strömendes Objekt oder Medium wie strömende Blasen detektiert werden können. Einzige Voraussetzung dafür ist, dass das Strömen eine Änderung des elektrischen Feldes in der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit erzeugt. Weist das strömende Medium eine andere elektrische Leitfähigkeit als die Flüssigkeit auf, so wird eine Änderung des elektrischen Feldes durch das Strömen des Mediums bewirkt.
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Vorteilhaft kann der Blasendetektor auch dann eingesetzt werden, wenn der Durchmesser eines Gefäßes, in dem sich die elektrisch leitende Flüssigkeit befindet, relativ groß und nicht auf einige Zentimeter begrenzt ist. Es muss keine transparente Außenwand eingesetzt werden, wie dies bei optischen Verfahren der Fall ist. Es ist keine aufwendige Signalverarbeitung erforderlich. Der Blasendetektor ermöglicht eine integrale Messung über den gesamten Querschnitt des Gefäßes, in dem sich die elektrisch leitfähige Flüssigkeit befindet. Gerade im Vergleich zu kapazitiver Blasendetektoren können hohe Empfindlichkeiten erreicht werden. Homogene Messungen im Untersuchungsbereich sind vorteilhaft möglich, was beispielsweise mit Blasendetektoren, die mithilfe von Ultraschall detektieren, nicht möglich ist.
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Ein Gefäß im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst auch den Fall einer Leitung, durch die die elektrisch leitfähige Flüssigkeit beispielsweise hindurch fließt. In einem Gefäß im Sinne der vorliegenden Erfindung kann sich eine Flüssigkeit stationär befinden oder beispielsweise durch das Gefäß hindurch fließen.
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Mit dem Blasendetektor können zum Beispiel Gasblasen ermittelt werden, die in einem elektrisch leitfähigen Medium wie zum Beispiel Wasser strömen. Die Gasblasen können entweder in einer stationären Flüssigkeit durch Auftriebskräfte aufsteigen oder zusammen mit der Flüssigkeit bewegt werden. Es ist auch möglich, Festkörper so wie metallische Körper oder Körper aus Kunststoff zu detektieren, so zum Beispiel Stahlkugeln, die in einer Flüssigkeitssäule herab sinken, oder in einer Zweiphasenströmung Flüssigkeit/Gasphase oder Flüssigkeit/Feststoffphase die Anteile zu messen. Weiterhin kann die Mischung unterschiedlicher Fluide bestimmt werden, wenn die Einzelkomponenten verschiedene elektrische Leitfähigkeiten aufweisen.
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In einer Ausgestaltung umfasst die Ausleseelektronik einen Differenzverstärker für eine Verstärkung einer Differenz zwischen dem von der Sendeelektrode und der Empfangselektrode stammenden elektrischen Signal. Alternativ können die elektrischen Eingangssignale von zwei räumlich voneinander getrennten Empfangselektroden stammen. Der Differenzverstärker ist Teil der Ausleseelektronik und dient der Durchführung der Differenzbildung, um das Ergebnis der Differenzbildung als Messsignal auszugeben. Das Ergebnis der Differenzbildung wird darüber hinaus verstärkt, wodurch selbst geringe Differenzen zwischen den beiden Eingangssignalen, die vom Differenzverstärker verarbeitet werden, ermittelt werden können. Diese Ausgestaltung verbessert die Empfindlichkeit des Blasendetektors.
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In einer Ausgestaltung ist eine Kompensationseinrichtung, insbesondere in Form eines regelbaren Widerstands, vorgesehen, die die Amplitude eines elektrischen Sendesignals der Sendeelektrode zu verändern und das veränderte Sendesignal dem Differenzverstärker zuzuführen vermag. Als Kompensationseinrichtung wird insbesondere ein Spannungsteiler vorgesehen, der, je nach Einstellung, nur einen Teil der Spannung abgreift. Durch Justieren ist es aufgrund der Kompensationseinrichtung möglich, das elektrische Signal der Sendeelektrode so anzupassen, dass die beiden in den Differenzverstärker eingespeisten Eingangssignale gleich groß sind, wenn sich kein strömendes Medium zwischen den beiden Elektroden befindet, von denen die Eingangssignale stammen. Diese Ausgestaltung trägt weiter verbessert dazu bei, dass ein strömendes Medium bzw. Objekt zuverlässig detektiert wird.
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In einer Ausführungsform sind ein oder mehrere Phasenschieber integriert, um unterschiedliche Phasen kompensieren zu können, die eine unvollständige Kompensation bewirken könnten.
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In einer Ausgestaltung ist ein vorzugsweise regelbarer Shunt-Widerstand für eine Bereitstellung eines elektrischen Signals für den Differenzverstärker mit der Empfangselektrode sowie mit einem Eingang des Differenzverstärkers elektrisch verbunden. Der vorzugsweise regelbare Shunt-Widerstand dient der Bereitstellung eines elektrischen Signals für den Differenzverstärker zwecks Weiterverarbeitung. Der Shunt-Widerstand ist mit der Empfangselektrode elektrisch so seriell verschaltet, dass ein aufgrund des elektrischen Feldes fließender elektrischer Strom über die Empfangselektrode sowie den Shunt-Widerstand fließt. Der elektrische Strom, der durch den Shunt-Widerstand fließt, verursacht einen zu ihm proportionalen Spannungsabfall. Dieser Spannungsabfall wird als elektrisches Signal in einen Eingang des Differenzverstärkers zwecks Weiterverarbeitung eingespeist. Der Differenzverstärker verstärkt dann die Spannungsdifferenz, die aus der Sendeelektrode und der Empfangselektrode resultiert. Vorteilhaft ist dann eine optional vorgesehene Kompensationseinrichtung so eingestellt, dass die Spannungsdifferenz Null ist, wenn sich kein strömendes Medium wie zum Beispiel strömende Blasen zwischen den beiden Elektroden befinden.
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Der Shunt-Widerstand ist vorzugsweise regelbar, um durch Auswahl der Größe des Widerstands einen geeignet großen Spannungsabfall in Abhängigkeit von den weiteren Versuchsparametern erhalten zu können. Der Blasendetektor kann dann weiter verbessert für viele verschiedene Anwendungen vorgesehen werden.
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Zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit wird die Sendeelektrode in einer bevorzugten Ausführungsform mit einem Sinusgenerator verbunden, um ein geeignetes elektrisches Potential in der Flüssigkeit erzeugen zu können. Andere Generatoren, durch die andere Potentialverläufe erzeugt werden können, wie zum Beispiel ein Rechteckgenerator sind ebenfalls möglich.
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Vorzugsweise umfasst der Blasendetektor ein Gradiometer zur Kompensation einer temperaturbedingten Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit. Es lassen sich so zuverlässig und auf technisch einfache Weise fehlerhafte Ergebnisse vermeiden, die aufgrund einer zum Beispiel temperaturbedingten Änderung der elektrischen Leitfähigkeit der elektrisch leitenden Flüssigkeit auftreten können.
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In einer Ausgestaltung gibt es zwei voneinander räumlich getrennte Empfangselektroden für die Kompensation der zum Beispiel temperaturbedingten Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit. Diese sind vorzuweise in einer Behälterwand oder in einer Wand einer Leitung integriert. Die beiden Empfangselektroden können aber auch durch Eintauchen in die elektrisch leitende Flüssigkeit mit dieser elektrisch leitend verbunden werden. Die beiden Empfangselektroden liefern elektrische Signale an das Gradiometer, um so zum Beispiel Temperatur bedingte Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit kompensieren zu können.
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Vorzugsweise ist eine jede Empfangselektrode mit jeweils einem Shunt-Widerstand, vorzugsweise einem regelbaren Shunt-Widerstand elektrisch verbunden, um so ein geeignetes elektrisches Signal in Form eines Spannungsabfalls für das Gradiometer bereitstellen zu können. Der über die Empfangselektrode abgeführte elektrische Strom fließt durch den damit verbundenen Shunt-Widerstand hindurch. Der dadurch bewirkte Spannungsabfall dient als Eingangssignal für das Gradiometer. Ein oder beide Shunt-Widerstände sind vorzugsweise regelbar. Der elektrische Widerstand eines Shunt-Widerstands kann also durch Regeln verändert bzw. eingestellt werden. Geringfügige Amplitudenunterschiede im elektrischen Signal der beiden Empfangselektroden können vorteilhaft durch Einstellen des elektrischen Widerstands ausgeglichen werden. Gleichanteile in beiden Signalen, also insbesondere eine Temperaturdrift, können dann vollständig kompensiert werden.
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In einer Ausführungsform des Blasendetektors mit dem Gradiometer sind ein oder mehrere Phasenschieber integriert, um unterschiedliche Phasen kompensieren zu können, die eine unvollständige Kompensation bewirken könnten.
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Es gibt im Fall des Blasendetektors mit dem Gradiometer insbesondere einen Differenzverstärker für eine Bildung eines elektrischen Differenzsignals der von den beiden Empfangselektroden stammenden elektrischen Signale. Der Differenzverstärker bewirkt die angestrebte Kompensation von Gleichanteilen, dient der Differenzbildung und verstärkt das Ergebnis, um mit großer Empfindlichkeit strömende Objekte ermitteln zu können.
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Der Abstand zwischen Sendeelektrode und dazu benachbarter Empfangselektrode ist vorteilhaft größer als der Abstand zwischen den beiden Empfangselektroden. Einerseits kann so eine gleichmäßige Feldlinienverteilung über den Querschnitt des zugehörigen Gefäßes erzielt werden, um zuverlässig strömende Objekte zu ermitteln. Andererseits wird ein übermäßig großer Bauraum vermieden.
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Sendeelektrode und Empfangselektrode(n) sind in einer Ausführungsform ringartig beispielsweise in eine Behälterwand eines Behälters zur Aufnahme der elektrisch leitenden Flüssigkeit integriert. Durch die Ringform kann grundsätzlich ein elektrisches Feld bereitgestellt werden, dessen Feldlinien vorteilhaft parallel zur Strömung des Mediums verlaufen, um mit großer Empfindlichkeit zuverlässig messen, also strömende Objekte zuverlässig ermitteln zu können. Sendeelektrode und Empfangselektrode sind vorzugsweise kreisrund. Andere Formen wie zum Beispiel eine quadratische oder ovale Form ermöglichen jedoch grundsätzlich ebenfalls die gewünschte Ausrichtung der Feldlinien, um so zuverlässig und empfindlich messen zu können. Allerdings lässt sich dann eine vorteilhafte homogene Feldlinienverteilung über einen Gefäßquerschnitt nur verschlechtert erreichen.
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Möglich sind auch nicht geschlossene Formen der Elektroden, z. B. halbkreisförmig oder u-förmig. Diese Elektrodenformen können aus fertigungstechnischen Gründen zum Beispiel für den Einsatz in Mikrofluidik-Bauelementen vorteilhaft sein.
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Die Elektroden sind in einer Ausführungsform in ein Gefäß, welches die elektrisch leitfähige Flüssigkeit hineingebracht bzw. in die darin befindliche elektrisch leitfähige Flüssigkeit eingetaucht. Es ist bei dieser Ausführungsform möglich, Elektroden durch einfache Drähte mit einem Durchmesser von zum Beispiel lediglich 0,5 bis 1 mm zu realisieren. Diese Ausführungsform ermöglicht im Bedarfsfall einen besonders einfachen Austausch von Elektroden. Durch Drähte können ferner besonders einfach eine gewünschte Elektrodengeometrie realisiert werden.
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Die Elektroden, die getrennt von dem Gefäß sind, werden in einer Ausführungsform durch einen Einsatz räumlich in einer vorgegebenen Lage gehalten, was die Handhabung vereinfacht.
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Der Abstand zwischen Sendeelektrode und Empfangselektrode ist vorzugsweise größer als der halbe Innendurchmesser einer Leitung für das Leiten der elektrisch leitenden Flüssigkeit, bevorzugt größer als der 0,8 fache Innendurchmesser der Leitung und/oder kleiner als der 1,5 fache Innendurchmesser der Leitung, bevorzugt kleiner als der 1,2 fache Innendurchmesser der Leitung. Hierdurch wird eine gleichmäßige Verteilung der Potentiallinien über den Strömungsquerschnitt erzielt. Die Messeempfindlichkeit hängt bei dieser Ausführungsform vorteilhaft nicht davon ab, ob sich das strömende Objekt nahe bei einer Behälterwand befindet oder davon entfernt zum Beispiel in der Behältermitte.
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Bevorzugt sind die Elektroden in Wände des Behälters für die Flüssigkeit so integriert, dass diese mit einer darin befindlichen elektrisch leitfähigen Flüssigkeit in Kontakt gelangen. Diese Ausführungsform mit den integrierten Elektroden erleichtert die Handhabung und vermeidet Fehlbedienungen.
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Der Blasendetektor kann universell eingesetzt werden. So muss in der Medizintechnik bei Herz-Lungen-Maschinen, bei Transfusionspumpen und oder bei der Dialyse sorgfältig kontrolliert werden, ob sich in transportierter Flüssigkeit Gaseinschlüsse befinden. Dies vermag der erfindungsgemäße Detektor zu leisten.
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Ein weiteres Anwendungsgebiet für den vorliegenden Blasendetektor in der Medizintechnik ist die Detektion eines im Blutkreislauf bewegten Embolus (Blutpfropf). Auch in anderen biomedizinischen Geräten, bei der Laborautomation oder in der Produktion, z. B. Abfüll- oder Dosieranlagen, kann der Blasendetektoren eingesetzt werden. Der vorliegende Blasendetektor kann in der Verfahrenstechnik bei Blasensäulen zur Kontrolle des durchgesetzten Blasenstroms eingesetzt werden sowie in der Fördertechnik bei der Förderung von Feststoff/Wasser-Gemischen, z. B. für eine Bestimmung des Anteils von Steinen, die mit Wasser als Transportmedium als Füllung für unzugängliche Hohlräume eingespült werden. Weitere Einsatzfelder in der Verfahrenstechnik sind z. B. die Kontrolle der blasenfreien Befüllung von Tuben mit pastösem Inhalt, z. B. Zahnpasta, die Bestimmung des Feststoffanteils in Klärschlamm, die Homogenität von Farben und Lacken etc..
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Eine Anwendung im KFZ-Bereich ist der Einsatz als Flex-Fuel Sensor. In einigen Ländern, insbesondere Brasilien, ist es üblich, die Kraftfahrzeuge mit einem stark variablen Gemisch aus Benzin und Methanol zu betanken. Da die Verbrennungseigenschaften beider Kraftstoffe sehr unterschiedlich sind, wird mit einem Flex-Fuel Sensor die Kraftstoffzusammensetzung zur Verarbeitung in der Motorsteuerung gemessen. Wegen der unterschiedlichen Leitfähigkeiten der Kraftstoffe kann der Blasendetektor auch hier angewendet werden. Auch zur Zustandskontrolle von Motorölen kann der Blasendetektor vorgesehen werden, da der altersbedingte Abbau von Additiven die Dielektrizitätszahl verändert und Metallabrieb sowie die veränderte Ölzusammensetzung die Leitfähigkeit des Öls beeinflusst.
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Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist der Einsatz in Mikrofluidik-Bauelementen, bei denen in den Mikro-Kanälen die Mischung von unterschiedlichen Flüssigkeitsströmen, die Unterscheidung unterschiedlicher Flüssigkeitspakete oder einzelne Gasblasen gemessen werden sollen.
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Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungsformen anhand der Figuren näher erläutert.
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Es zeigen
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1: Schnitt durch einen Blasendetektor mit Sende- und Empfangselektrode;
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2: Feldlinienveränderung durch strömendes Objekt;
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3: Feldlinienverteilung in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Sende- und Empfangselektrode;
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4: Blasendetektor mit Gradiometer;
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5: Ausführungsform mit Lock-in Verstärker
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6: Ausführungsform mit Lock-in Verstärker und Gradiometer.
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Die 1 zeigt im Schnitt einen rohrförmigen Behälter 1, durch den zum Beispiel eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit wie Wasser hindurch strömt. In die Behälterwand des Rohrs 1 sind eine ringförmige Sendeelektrode 2 sowie eine ringförmige Empfangselektrode 3 derart integriert, dass diese mit der elektrisch leitenden Flüssigkeit elektrisch verbunden sind und von außen elektrisch kontaktiert werden können. Die dann in der Flüssigkeit erzeugten Feldlinien verlaufen überwiegend parallel zur Strömung.
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Ein Sinusgenerator 4 ist an die Sendeelektrode 2 angeschlossen, um das elektrische Feld in der Flüssigkeit zu erzeugen. Der Sinusgenerator 4 ist außerdem mit einem regelbaren Widerstand 5 verbunden, der als Kompensationseinrichtung dient. An dem regelbaren Widerstand 5 fällt eine Spannung ab. Die Kompensationseinrichtung 5 ist so mit einem Eingang eines Differenzverstärkers 6 verbunden, dass der Spannungsabfall, der an der Kompensationseinrichtung 5 auftritt, als elektrisches Eingangssignal in einen Eingang des Differenzverstärkers 6 eingespeist wird. Die Empfangselektrode 3 ist mit einem regelbaren Shunt-Widerstand 7 verbunden, an dem eine Spannung abfällt. Der regelbare Shunt-Widerstand 7 ist so mit dem weiteren Eingang des Differenzverstärkers 6 verbunden, dass der an dem Shunt-Widerstand 7 auftretende Spannungsabfall als elektrisches Signal in den weiteren Eingang des Differenzverstärkers 6 eingespeist wird. Shunt-Widerstand 7 und Kompensationseinrichtung 5 sind geeignet mit Masse verbunden, um ein Fließen von Strom durch die Widerstände hindurch zu ermöglichen.
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Der Differenzverstärker 6 bildet eine Differenz zwischen den beiden eingespeisten Spannungsabfällen und gibt das Ergebnis verstärkt an ein Anzeigegerät aus, so zum Beispiel an einen Monitor 8, der den Spannungsverlauf darstellt.
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Die notwendige Elektronik zum Betrieb des in der 1 gezeigten Blasen-Detektors ist also sehr einfach: Die Sendeelektrode 2 wird mit einem Sinusgenerator 4 verbunden und der an der Empfangselektrode 2 abgeführte Strom wird über einen regelbaren Shunt-Widerstand 7, z. B. 0–10 kΩ, zum Beispiel auf 7 kΩ eingestellt, an einen Differenzverstärker 6 angeschlossen, der die Spannungsdifferenz aus der Sendeelektrode 2 und der Empfangselektrode 3 verstärkt. Die Kompensationseinrichtung 5 sorgt dafür, dass das Sendesignal kompensiert wird. Bei der Kompensation wird durch einen regelbaren Widerstand die Spannung an der Sendeelektrode abgegriffen und so in seiner Amplitude verändert, dass ohne strömendes Objekt zwischen den Elektroden 2 und 3 die Differenzspannung (also das Ausgangssignal des Differenzverstärkers) gleich Null wird.
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Die Reihenfolge der Anordnung der Elektroden, d. h. ob die Sendeelektrode 2 oben und die Empfangselektrode 3 unten bzw. ein Anordnung in umgekehrten Reihenfolge, macht für das Signal einer zum Beispiel aufsteigenden Gasblase keinen Unterschied.
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Das Ausführungsbeispiel nach 1 besteht vorzugsweise aus drei Rohrstücken mit einem Innendurchmesser von zum Beispiel 40 mm, die mit zwei metallischen Elektrodenringen 2 und 3 zu einer kompakten Rohreinheit zum Beispiel verschraubt sind. Die Elektrodenringe 2 und 3 mit einer Höhe von zum Beispiel 5 mm können von außen elektrisch kontaktiert werden und stehen mit ihrer inneren Oberfläche im elektrischen Kontakt zum flüssigen Medium im Rohr. Die Elektrodenringe 2 und 3 bestehen z. B. aus Kupfer oder Aluminium, wobei vorzugsweise durch eine metallische Beschichtung mit einem Edelmetall insbesondere der mit dem Fluid in Verbindungen stehenden Flächen eine elektrolytische Auflösung des Metalls verhindert wird. Das wird z. B. durch Beschichtung von Kupferoberflächen mit Gold und einer Nickelsperrschicht zwischen Gold und Kupfer oder einer Platinbeschichtung erreicht.
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2 vergleicht den Verlauf von Potentiallinien 9 innerhalb des in der 1 gezeigten Rohres 1 mit der Sendeelektrode 2 und der Empfangselektrode 3 ohne und mit Objekt 10 in dem Gefäß 1. Das Objekt 10 kann zum Beispiel eine in der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit aufsteigende Gasblase sein. Der Vergleich der beiden Darstellungen der 2 verdeutlicht, dass das strömende Objekt 10, welches eine andere elektrische Leitfähigkeit als die in dem Rohr 1 befindliche Flüssigkeit aufweist, den Verlauf der Potentiallinien 9 zwischen den beiden Elektroden 2 und 3 verändert. Die Änderung der Potentiallinien bewirkt einen geänderten Spannungsabfall an dem Shunt-Widerstand 7. Das entsprechende Eingangssignal für den Differenzverstärker 6 ändert sich. Die Differenz der beiden in den Differenzverstärker 6 eingespeisten Spannungen ist dann ungleich null. Das Auftreten einer Blase 10 wird daher durch einen Peak wie in 1 bei der Anzeige 8 dargestellt angezeigt.
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Der in der 2 gezeigte Verlauf der Feldlinien 9 verdeutlicht, dass sich die Feldlinien 9 ungleichmäßig über den Querschnitt des Rohres verteilen, wenn die beiden Elektroden 2 und 3 relativ dicht beieinander liegen. Ein strömendes Objekt 10 kann den Feldlinienverlauf dann kaum ändern, wenn dieses angrenzend an die Wand des Rohres 1 durch das Rohr hindurch strömt. Ein schwaches Signal schwächt die Empfindlichkeit des Blasendetektors.
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Die 3 verdeutlicht den Einfluss des Abstandes zwischen den beiden Elektroden 2 und 3 auf den Verlauf der Feldlinien 9. Beträgt der Rohrdurchmesser des Rohres 1 beispielsweise 40 mm und weisen die beiden Elektroden 2 und 3 einen deutlich kleineren Abstand von zum Beispiel 10 mm auf, so verteilen sich die Feldlinien 9 in der Regel ungleichmäßig über den Querschnitt. Dieser Fall wird in der linken Abbildung der 3 dargestellt. Beträgt der Abstand zwischen der Sendeelektrode 2 und der Empfangselektrode 3 dagegen 50 mm, so verteilen sich die Feldlinien 9 homogen über den Querschnitt. Die Stärke eines Signals, welches durch einen strömenden Körper 10 verursacht wird, hängt dann nicht mehr maßgeblich davon ab, ob der Körper 10 nahe der Wand des Rohrs 1 strömt oder in der Mitte des Rohrs 1. Es ist daher zu bevorzugen, dass der Abstand zwischen den beiden Elektroden 2 und 3 in etwa dem Durchmesser des Rohrs 1 entspricht. Es wird so regelmäßig vorteilhaft eine gleichmäßige Verteilung der Feldlinien 9 über den Querschnitt erzielt, ohne den Abstand zwischen den beiden Elektroden 2 und 3 übermäßig groß wählen zu müssen, was mit einem unvorteilhaft großen Bauraum einhergehen würde. Daher sollte der Abstand zwischen der Sendeelektrode 2 der Empfangselektrode 3 zumindest größer als der halbe Gefäßdurchmesser sein, bevorzugt größer als das 0,75 fach des Gefäßdurchmessers, besonders bevorzugt wenigstens dem Gefäß- bzw. Rohrdurchmesser entsprechen. Gemeint ist dabei stets der Innendurchmesser des Gefäßes bzw. Rohres 1. Um einen übermäßig großen Bauraum zu vermeiden, sollte der Abstand zwischen der Sendeelektrode 2 und der Empfangselektrode 3 das 1,5 fache des Gefäßdurchmessers nicht übersteigen.
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Die Sendeelektrode 2 wird z. B. mit einer Spannung von 1 V und einer Frequenz von 1 KHz beaufschlagt. Die Spannung sollte in Abhängigkeit des Standardpotentials der verwendeten Beschichtung und des pH-Werts der Flüssigkeit so gewählt werden, dass eine Korrosion der Elektroden 2 und 3 ausgeschlossen werden kann. Eine Änderung der Frequenz im kHz-Bereich ändert das Messsignal nur unwesentlich.
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Mit dem Blasendetektor können nicht nur einzelne Blasen, sondern auch ein mit einem Sprudelstein erzeugter Strom kleiner Blasen gemessen werden. Dabei ergibt sich ergibt sich bei Einschalten des Blasenstroms ein Signalhub, der ein Maß für den Blasenstrom ist. Bei der Variation des Blasenstroms ergibt sich bei doppeltlogarithmischer Auftragung eine etwa lineare Abhängigkeit des Messsignals vom Blasenvolumenstrom.
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Es ist auch die Messung von Festkörpern in einem Flüssigkeitsstrom möglich, wenn beide Bestandteile eine unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit haben. So wurde die Messung einer unterschiedlichen Anzahl von Glaskügelchen mit einem Durchmesser von 3 mm und einem Gewicht von 0,036 g durchgeführt, die von oben in das in der 1 gezeigte Gefäß, eingeschüttet wurden und dann durch die Elektrodenringe auf den Boden des Gefäßes gesunken sind. Es war gut erkennbar, dass sich die Signalhöhe und die Signalbreite durch die unterschiedliche Kugelmenge veränderte, da der zeitliche Durchsatz der Glaskugeln (Anzahl Kugeln pro Sekunde) nicht konstant ist.
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Überprüft wurde ferner die Messung von Flüssigkeitsanteilen in Mischungen von Flüssigkeiten mit unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten. So wurde ausgehend von reinem Wasser durch mehrmaliges Einschütten von Ethanol der Ethanolanteil schrittweise erhöht. Es zeigte sich, dass schon geringe Anteile gut messbar sind.
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In der 4 wird eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Blasendetektors mit einem Gradiometer gezeigt. Diese Ausführungsform umfasst eine zweite Empfangselektrode 11. Beide Empfangselektroden 3 und 11 sind jeweils mit einem regelbaren Shunt-Widerstand 7 verbunden, an dem jeweils eine Spannung abfällt. Die beiden Spannungsabfälle werden jeweils einem Eingang des Differenzverstärktes 6 als Eingangssignal aufgrund entsprechender elektrischer Kontaktierung zugeführt. Die beiden Shunt-Widerstände 7 werden so eingestellt, dass die Differenz der beiden Spannungen null ist, wenn kein Objekt durch das Rohr 1 hindurch strömt. Durch einen Peak bei der Anzeige 8 wird ein strömendes Objekt 10 angezeigt. Diese Ausführungsform vermeidet fehlerhafte Ergebnisse aufgrund einer sich verändernden Leitfähigkeit der elektrischen Flüssigkeit.
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Aus einem Signal mit einem Peak ohne Temperaturkompensation wird durch die Differenzbildung der Gradiomterschaltung ein Signal mit einem positiven und einem negativen Peak. Diese Signalmorphologie wird durch den Abstand der beiden Empfangselektroden beeinflusst, z. B. wird durch eine Vergrößerung des Elektrodenabstands die Entfernung der beiden Peaks vergrößert. Der optimale Abstand der Empfangselektroden ist wie die optimale Einstellung der Elektronik das Resultat eines Optimierungsprozesses, der für den jeweiligen Anwendungsfall durchgeführt werden sollte.
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Anstelle einer zweiten, gleichen Empfangselektrode 11 kann eine einfache Drahtelektrode, z. B. 10 mm Golddraht mit 0,5 mm Durchmesser, eingesetzt werden. Wegen der großen Flächenunterschiede der Ringelektrode 3 und der Drahtelektrode ist die Kompensationswirkung jedoch wesentlich schlechter im Vergleich zur Gradiometeranordnung mit zwei gleich großen Elektroden 3 und 11. Durch eine Anpassung der Shunt-Widerstände entsprechend dem Flächenverhältnis beider Elektroden kann dem jedoch entgegengewirkt werden.
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Zur Verbesserung der Empfindlichkeit der Anordnung ist es vorteilhaft, das gemessene Signal in einem Lock-in Detektor 12 mit dem Sendesignal bezüglich ihrer Frequenzanteile zu vergleichen. Dabei werden dann nur noch die Anteile des Messsignals weiter verarbeitet und dargestellt, die die gleiche Frequenz wie das Sendesignal aufweisen. Mit dieser Maßnahme werden Störungen, die bei einer anderen Frequenz als der des Sendesignals anfallen, entfernt. Die 5 und 6 zeigen Ausführungsformen mit einem solchen Lock-in Detektor 12, dessen Ausgang mit einem Anzeigegerät oder Auswertegerät 8 und dessen Eingänge mit dem Generator 4 sowie dem Ausgang des Differenzverstärkers 6 wie dargestellt elektrisch verbunden sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69223875 T2 [0002]
- DE 19651355 A1 [0003]
