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Die Erfindung betrifft einen Aufschlussreaktor und ein Analysegerät zur Bestimmung eines Aufschlussparameters einer Flüssigkeitsprobe.
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Die Bestimmung von Aufschlussparametern in Flüssigkeitsproben spielt beispielsweise in der Prozessmesstechnik oder in der industriellen Messtechnik, insbesondere im Bereich der Wasser- und Abwasserbehandlung und/oder in der Wasser- und Abwasseranalyse eine Rolle. Wichtige Beispiele für Aufschlussparameter sind der chemische Sauerstoffbedarf (kurz: CSB; auch englisch: chemical oxygen demand, COD), der Gesamtkohlenstoffgehalt und der Gesamtstickstoffgehalt (kurz: Nges).
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Der chemische Sauerstoffbedarf ist die als Sauerstoffäquivalent ausgedrückte Menge einer chemischen Verbindung, üblicherweise eines starken Oxidationsmittels, die von den in einem bestimmten Volumen einer Flüssigkeitsprobe enthaltenen oxidierbaren Inhaltsstoffen unter den Reaktionsbedingungen einer vorgeschriebenen Methode verbraucht wird. Als Oxidationsmittel dient dabei häufig Kaliumdichromat. Der CSB-Wert ist neben dem Gesamtstickstoffgehalt ein wichtiger Parameter zur Klassifizierung des Verschmutzungsgrads bei Fließwässern und in Abwasser- und Kläranlagen, insbesondere mit organischen Verunreinigungen.
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Bei bekannten Verfahren zur Bestimmung eines solchen Aufschlussparameters wird zunächst die Flüssigkeitsprobe in einem, zumeist als Küvette ausgestalteten, Aufschlussgefäß mit einem Aufschlussmittel versetzt. Dieses Reaktionsgemisch wird, gegebenenfalls unter Druck, über einen vorgegebenen Zeitraum in dem Aufschlussgefäß erhitzt. Die nachzuweisenden Substanzen, von deren Konzentration der Aufschlussparameter abhängt, werden dabei durch chemische Reaktion mit dem Aufschlussmittel freigesetzt. Je nach Art des nachzuweisenden Aufschlussparameters bewirkt entweder der Verbrauch des Aufschlussmittels oder eine Reaktion mit einem oder mehreren weiteren, dem Reaktionsgemisch zugesetzten Reagenzien eine Änderung der chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften, z.B. der Extinktion bzw. Absorption, der Flüssigkeitsprobe. Diese Änderung kann beispielsweise mittels eines geeigneten elektrochemischen oder, z.B. im Falle einer Änderung der Extinktion bzw. Absorption, mittels eines fotometrischen Messaufnehmers nachgewiesen werden. Der aktuelle Wert des Aufschlussparameters kann anhand eines von dem Messaufnehmers zur Verfügung gestellten Messsignals ermittelt werden.
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Bei den meisten Verfahren zur Bestimmung des chemischen Sauerstoffbedarfs wird beispielsweise eine Probe mit einem bekannten Überschuss eines Oxidationsmittels behandelt und anschließend der Verbrauch des Oxidationsmittels, beispielsweise durch Rücktitration des nicht verbrauchten Rests, ermittelt. Auch eine fotometrische Ermittlung des Verbrauchs an Oxidationsmittel ist möglich, z.B. wenn als Oxidationsmittel Kaliumdichromat dient. Die Menge an verbrauchtem Oxidationsmittel wird in die äquivalente Sauerstoffmenge umgerechnet.
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Aus dem Stand der Technik ist eine Reihe von Analysegeräten zur Bestimmung von Aufschlussparametern nach derartigen Verfahren bekannt. In der deutschen Patentanmeldung
DE 103 60 066 A1 ist beispielsweise ein Analysegerät zur fotometrischen Bestimmung des chemischen Sauerstoffbedarfs einer Flüssigkeitsprobe beschrieben, bei dem ein in einer Küvette aufgenommenes, die Flüssigkeitsprobe und Kaliumdichromat als Oxidationsmittel enthaltendes Reaktionsgemisch unter Druckabschluss über einen Aufschlusszeitraum auf eine Temperatur oberhalb der atmosphärischen Siedetemperatur des Reaktionsgemisches erhitzt wird. Gleichzeitig wird die Extinktion des Reaktionsgemisches in der Küvette während des gesamten Aufschlusses bei mindestens einer festgelegten Wellenlänge bestimmt, wobei die Änderung der Extinktion als Maß für die Konzentrationsänderung und damit des Verbrauchs des Oxidationsmittels. Zur Erhitzung des Reaktionsgemisches dient bei dem aus
DE 103 60 066 A1 bekannten Analysegerät eine nicht näher spezifizierte Heizvorrichtung.
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Aus der chinesischen Patentanmeldung
CN 102519780 A ist ein Analysegerät zur Bestimmung des chemischen Sauerstoffbedarfs einer Flüssigkeitsprobe bekannt, das ein gläsernes Aufschlussgefäß zur Aufnahme der Flüssigkeitsprobe und des Aufschlussmittels aufweist. Eine Erhitzung des in dem Aufschlussgefäß enthaltenen Reaktionsgemisches erfolgt mittels eines um das Aufschlussgefäß gewundenen, stromdurchflossenen Heizdrahtes. Diese Anordnung hat verschiedene Nachteile. Zum einen ist sie sehr aufwändig zu fertigen, denn zur Befestigung und Führung des Drahtes müssen mehrere Vorsprünge in der Außenwand des gläsernen Aufschlussgefäßes vorgesehen werden. Dies verkompliziert die Fertigung des Glasteils. Bei der Montage des Heizdrahtes muss darauf geachtet werden, dass dieser exakt in der Führung verläuft, da es ansonsten zu Kurzschlüssen kommen kann. Im Betrieb dehnt sich der Draht aufgrund der Erwärmung während des Aufschlusses aus, so dass er oft nicht mehr bündig am Aufschlussgefäß anliegt. Dadurch sinkt die Wärmeübertragung an das Glas, gleichzeitig steigt die Gefahr von Kurzschlüssen.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Aufschlussreaktor und ein Analysegerät zur Bestimmung eines Aufschlussparameters einer Flüssigkeitsprobe anzugeben, der die beschriebenen Nachteile überwindet.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Aufschlussreaktor gemäß Anspruch 1 und ein Analysegerät mit einem solchen Aufschlussreaktor. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der erfindungsgemäße Aufschlussreaktor zum Aufschließen einer in einer Flüssigkeitsprobe enthaltenen Substanz umfasst:
- – ein Aufschlussgefäß zur Aufnahme eines die Flüssigkeitsprobe umfassenden Reaktionsgemisches;
- – eine Heizvorrichtung umfassend mindestens zwei, insbesondere einander gegenüberliegend angeordnete, Heizbacken, die jeweils eine dem Aufschlussgefäß zugewandte Heizfläche aufweisen, welche jeweils gegen eine Teilfläche der Außenwandung des Aufschlussgefäßes anliegen.
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Flächig an der Außenwand des Aufschlussgefäßes anliegende Heizbacken gewährleisten im Vergleich zu einem um das Aufschlussgefäß gewundenen Heizdraht, der nur eine verhältnismäßig geringe Kontaktfläche zum Aufschlussgefäß aufweist, einen sehr viel besseren Wärmeübergang und erlaubt somit eine schnellere Aufheizung des Reaktionsgemisches. Die Gefahr eines Kurzschlusses ist durch die Verwendung von Heizbacken anstelle eines Drahtes ebenfalls vermieden. Der erfindungsgemäße Aufschlussreaktor ist also im Betrieb erheblich verlässlicher als der aus
CN 102519780 A bekannte. Eine bei Verwendung eines Heizdrahtes erforderliche Führung in der Außenwandung des Aufschlussgefäßes kann bei der Verwendung von Heizbacken ebenfalls entfallen. Somit wird die Fertigung des Aufschlussreaktors gegenüber dem aus
CN 102519780 A bekannten Reaktor wesentlich vereinfacht.
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Das Aufschlussgefäß kann einen rohrförmigen Abschnitt aufweisen, wobei die Heizflächen der Heizbacken mindestens ein Drittel, vorzugsweise mindestens die Hälfte der Außenwandung, besonders bevorzugt zwei Drittel des rohrförmigen Abschnitts überdecken. In einer Ausgestaltung kann das Aufschlussgefäß eine kreiszylindrische Wandung aufweisen. Die Heizflächen der Heizbacken können in dieser Ausgestaltung konkav gekrümmt sein, wobei ihr Krümmungsradius auf den Querschnitt eines von der Außenwandung des Aufschlussgefäßes definierten Zylinders derart abgestimmt ist, dass die Heizflächen in Kontakt mit der Außenwandung vollflächig auf dieser aufliegen.
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Sind die beiden Heizbacken in dieser Ausgestaltung identisch ausgestaltet, einander gegenüberliegend angeordnet und weisen die Heizflächen in Summe einen geringeren Flächeninhalt als die Zylindermantelfläche des durch die Außenwandung definierten Zylinders auf, insbesondere weniger als zwei Drittel, vorzugsweise weniger als die Hälfte, des Flächeninhalts der Zylindermantelfläche, bleiben einander gegenüberliegende Abschnitte der Zylindermantelfläche frei. Diese freibleibenden Abschnitte können als Fenster für den Eintritt bzw. Austritt eines fotometrischen Messpfades zur Erfassung einer Extinktion bzw. Absorption eines in dem Aufschlussreaktor enthaltenen Reaktionsgemisches dienen.
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Die Heizbacken können jeweils mindestens eine Bohrung aufweisen, in der ein Heizelement, insbesondere ein Leistungswiderstand, eingebettet ist. Das Heizelement kann mittels Wärmeleitpaste oder Wärmeleitsilikon in die Bohrung eingebettet sein.
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In einer Ausgestaltung sind die Heizbacken aus einem Metall, insbesondere aus Aluminium, gebildet. Eventuelle Luftspalte zwischen den Heizflächen und der Außenwandung des Aufschlussgefäßes können optional mittels einer Wärmeleitpaste überbrückt sein.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Aufschlussgefäß aus einem optisch transparenten Material, insbesondere einem Glas, gebildet. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn für eine fotometrische Messung einer Konzentration einer Substanz in dem Aufschlussgefäß Messstrahlung aus dem sichtbaren Spektralbereich, dem nahen Infrarot oder nahen UV dient.
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Das Aufschlussgefäß kann mindestens eine Flüssigkeitszuleitung und eine Druckausgleichsöffnung aufweisen, wobei die Flüssigkeitszuleitung und die Druckausgleichsöffnung jeweils mittels eines Ventils verschließbar sind, so dass ein Aufschluss unter Druck durchgeführt werden kann.
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In einer Ausgestaltung kann die Heizvorrichtung eine mit den Heizbacken verbundene Halterung umfassen, welche dazu ausgestaltet ist, die Heizbacken entlang einer Flächennormalen der Außenwandung des Aufschlussgefäßes gegen die Außenwandung des Aufschlussgefäßes anzudrücken. Auf diese Weise können Maßtoleranzen des Aufschlussgefäßes ausgeglichen werden. Die Heizbacken können rückseitig mit Rippen versehen sein, um einen vollflächigen Kontakt der Heizbacken mit der Halterung und eine damit einhergehende unerwünschte Wärmeableitung an die Halterung zu vermeiden.
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Ein erfindungsgemäßes Analysegerät zur Bestimmung eines Parameters einer Flüssigkeitsprobe, insbesondere eines Aufschlussparameters wie der chemische Sauerstoffbedarf, der Gesamtkohlenstoffgehalt, der Gesamtstickstoffgehalt, der Gesamtphosphatgehalt oder der Gesamteisengehalt, umfasst:
- – einen Aufschlussreaktor nach einer der voranstehend beschriebenen Ausgestaltungen,
- – eine Förder- und Dosiereinrichtung, welche dazu ausgestaltet ist, aus einer Probenentnahmestelle ein vorgegebenes Volumen einer Flüssigkeit als Flüssigkeitsprobe zu entnehmen und die Flüssigkeitsprobe in den Aufschlussreaktor zu transportieren;
- – einen Messaufnehmer zur Erfassung eines mit der Messgröße korrelierten Messwerts der in dem Reaktor aufgenommenen, gegebenenfalls mit einem oder mehreren Reagenzien versetzten, Flüssigkeitsprobe.
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Der Messaufnehmer kann einen fotometrischen Sensor mit einer Lichtquelle zum Durchstrahlen des Aufschlussgefäßes entlang eines Messpfades mit Messlicht, und mit einem Lichtempfänger zum Erfassen der Intensität des von der Lichtquelle emittierten Messlichts nach Durchlaufen des Messpfades, aufweisen, wobei der Messpfad in einem nicht von den Heizbacken überdeckten Bereich der Außenwandung des Aufschlussgefäßes in dieses eintritt und in einem nicht von den Heizbacken überdeckten Bereich der Außenwandung des Aufschlussgefäßes wieder aus diesem austritt. Bei einer Ausgestaltung des Aufschlussgefäßes, bei der die Außenwandung eine zylindrische Form aufweist, und bei der die zwei einander gegenüberliegend angeordneten Heizflächen in Summe einen kleineren Flächeninhalt aufweisen als der Flächeninhalt der durch die Außenwandung des Aufschlussgefäßes gebildeten Zylindermantelfläche, können zwei einander gegenüberliegende Abschnitte der Außenwandung freibleiben, durch die hindurch der Messpfad verläuft.
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Das Analysegerät kann weiter mehrere Flüssigkeitsbehälter umfassen, welche der Flüssigkeitsprobe zur Bildung eines Reaktionsgemisches zuzusetzende Reagenzien, eine Standardlösung und/oder Spülflüssigkeit enthalten, und welche mit dem Aufschlussgefäß verbunden sind, wobei die Förder- und Dosiereinrichtung dazu ausgestaltet ist, aus den Flüssigkeitsbehälter jeweils eine vorgegebene Flüssigkeitsmenge zu entnehmen und in das Aufschlussgefäß zu transportieren.
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Die Förder- und Dosiereinrichtung kann mindestens eine Pumpe und ein mit der Pumpe verbundenes Dosiergefäß aufweisen, wobei die Flüssigkeitsbehälter über das Dosiergefäß mit dem Aufschlussgefäß verbunden sind. Die zu dosierenden Flüssigkeiten werden in dieser Ausgestaltung mittels der Pumpe zunächst in das Dosiergefäß transportiert, das der Abmessung eines vorgegebenen Flüssigkeitsvolumens dient.
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Die Flüssigkeitsbehälter können über jeweils durch mindestens ein Ventil sperrbare Flüssigkeitsleitungen mit dem Dosiergefäß verbunden sein, wobei die Förder- und Dosiereinrichtung ein zentrales Ventil-Schaltwerk aufweist, welches dazu ausgestaltet ist, mindestens einen Teil der Ventile, insbesondere alle Ventile, zu betätigen. Das zentrale Ventilschaltwerk kann beispielsweise ausgestaltet sein wie in der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2011 075 762 A1 beschrieben.
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Das Analysegerät kann weiter eine Auswertungs- und Steuerungseinrichtung umfassen, welche dazu ausgestaltet ist, insbesondere durch Steuerung der Förder- und -Dosiereinrichtung, die Flüssigkeitsprobe und/oder vorgegebene Mengen der Flüssigkeiten aus den Flüssigkeitsbehältern in das Aufschlussgefäß zu fördern und/oder welche dazu ausgestaltet ist, anhand eines Messsignals des Messaufnehmers den Parameter der Flüssigkeitsprobe zu ermitteln. Die Auswertungs- und Steuerungseinrichtung kann eine Datenverarbeitungseinrichtung umfassen, welche mindestens einen Prozessor und einen Programmspeicher umfasst, in dem ein der Steuerung des Analysegerätes und der Auswertung der mittels des Messaufnehmers erzeugten Messsignale zur Bestimmung eines Wertes des Aufschlussparameters dienendes Computerprogramm abgelegt ist, das vom Prozessor ausgeführt werden kann. Zur Bedienung des Analysegeräts kann die Auswertungs- und Steuerungseinrichtung Eingabemittel, z.B. eine Tastatur oder einen oder mehrere Schalter, und eine Anzeige, z.B. ein Display, umfassen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Analysegeräts zur Bestimmung des chemischen Sauerstoffbedarfs einer Flüssigkeitsprobe;
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2 eine schematische Darstellung des Aufschlussreaktors des in 1 dargestellten Analysegeräts;
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3 eine schematische Explosions-Darstellung des in 2 dargestellten Aufschlussreaktors;
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4 eine schematische Querschnitt-Darstellung des in 2 und 3 dargestellten Aufschlussreaktors.
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Das in 1 schematisch dargestellte Analysegerät 1 dient der Bestimmung des chemischen Sauerstoffbedarfs einer Flüssigkeitsprobe einer in einer Probenentnahmestelle 2 vorliegenden, zu überwachenden Probenflüssigkeit. Obwohl das hier und im Folgenden beschriebene Ausführungsbeispiel ein Analysegerät zur Bestimmung des chemischen Sauerstoffbedarfs betrifft, ist die Erfindung doch gleichermaßen auf Analysegeräte zur Bestimmung verschiedenster Aufschlussparameter, beispielsweise Gesamtkohlenstoff, Gesamtstickstoff, Gesamtphosphat, oder Gesamteisen, ohne weiteres anwendbar.
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Bei der Probenentnahmestelle 2 kann es sich beispielsweise um ein offenes Becken oder Gerinne oder um einen geschlossenen Behälter, beispielsweise eine Rohrleitung, handeln. Die Flüssigkeit kann beispielsweise in einer Kläranlage zu behandelndes Abwasser sein. Zur Entnahme der Flüssigkeitsprobe aus der Probenentnahmestelle 2 dient im hier gezeigten Beispiel eine Probenentnahmevorrichtung 3, die beispielsweise eine Pumpe umfassen kann. Die Flüssigkeitsleitung 4 ist über einen Anschluss 22 mit einem Dosiergefäß 38 verbunden. Das Dosiergefäß 38 weist zwei Lichtschranken 23, 24 auf, die der Bestimmung des Füllstandes einer Flüssigkeit in dem Dosiergefäß 38 dienen.
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Das Analysegerät 1 weist mehrere Flüssigkeitsbehälter 5, 6, 7, 8 und 9 auf, die der Flüssigkeitsprobe zur Bestimmung des CSB zuzusetzende Reagenzien und Standardlösungen zur Kalibrierung und/oder Justierung des Analysegeräts 1 enthalten. Im hier gezeigten Beispiel enthält ein erster Flüssigkeitsbehälter 5 als Aufschlussmittel eine wässrige Kaliumdichromatlösung, ein zweiter Flüssigkeitsbehälter 6 eine wässrige Quecksilbersulfatlösung zur Maskierung von gegebenenfalls in der Flüssigkeit enthaltenen Chloridionen und ein dritter Flüssigkeitsbehälter 7 Schwefelsäure. Ein vierter Flüssigkeitsbehälter 8 enthält eine erste Standardlösung, welche einen ersten vorgegebenen chemischen Sauerstoffbedarf aufweist. Ein fünfter Flüssigkeitsbehälter 9 enthält eine zweite Standardlösung mit einem von dem ersten chemischen Sauerstoffbedarf verschiedenen zweiten chemischen Sauerstoffbedarf. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei der zweiten Standardlösung um deionisiertes Wasser als Null-Standard.
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Die Flüssigkeitsbehälter 5, 6, 7, 8, 9 sind über Flüssigkeitsleitungen 10, 11, 12, 13, 14 mit einer in das Dosiergefäß 38 über den Anschluss 22 mündenden Flüssigkeitsleitung 19 verbunden. Die Flüssigkeitsleitungen 10, 11, 12, 13 und 14 sind jeweils durch ein Ventil sperrbar, wobei ein hier nur schematisch angedeutetes zentrales Ventilschaltwerk 15 zur Betätigung der Ventile dient. Das Dosiergefäß 38 ist mit einer Kolbenpumpe 16 verbunden, die mittels eines nicht in der 1 dargestellten Linearmotors betätigbar ist. Das Dosiergefäß 38 isst über den Anschluss 17 und ein Ventil mit der Atmosphäre 18 verbunden. Mittels des Ventils können das Dosiergefäß 38 und/oder die Kolbenpumpe 16 wahlweise mit der Atmosphäre 18 verbunden werden. Das Dosiergefäß 38 ist außerdem über den Anschluss 22 mit einem Aufschlussreaktor 20 verbunden, der gleichzeitig zum Aufschluss einer Flüssigkeitsprobe und als Messzelle für die Bestimmung des chemischen Sauerstoffbedarfs dient. Das Dosiergefäß ist über den Anschluss 22 außerdem mit einer zu einem Abfallbehälter 21 führenden, durch das Ventil 37 sperrbaren Flüssigkeitsleitung verbunden.
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Der Aufschlussreaktor 20 umfasst ein aus einem transparenten Material, z.B. Glas, gebildetes Aufschlussgefäß 25, das durch eine Heizvorrichtung 26 beheizbar ist. In das Aufschlussgefäß 25 mündet eine mittels eines ersten Ventils 27 wahlweise mit dem Dosiergefäß 38 oder mit dem Abfallbehälter 21 verbindbare Flüssigkeitsleitung 28. Darüber hinaus weist das Aufschlussgefäß 25 eine durch ein zweites Ventil 29 verschließbare Druckausgleichsleitung 30 auf, mittels derer das Aufschlussgefäß 25 mit der Atmosphäre 18 verbindbar ist.
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Die Probenentnahmevorrichtung 3, das Dosiergefäß 38, die Kolbenpumpe 16, das zentrale Ventilschaltwerk 15, die durch das zentrale Ventilschaltwerk betätigbaren Ventile sowie die Ventile 27, 29 bilden eine Förder- und Dosiereinrichtung des Analysegeräts 1, die dem Fördern und Dosieren der Flüssigkeitsprobe sowie der Flüssigkeitsprobe zuzusetzender Reagenzien in den Aufschlussreaktor 20 dient.
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Das Analysegerät 1 umfasst zur Ermittlung eines den chemischen Sauerstoffbedarf der Flüssigkeitsprobe repräsentierenden Messwerts einen fotometrischen Sensor 31, der eine Lichtquelle 32 und einen Lichtempfänger 33 aufweist. Die Lichtquelle 32 kann beispielsweise eine oder mehrere, insbesondere Licht unterschiedlicher Wellenlängen emittierende, LEDs oder eine oder mehrere Multi-LEDs umfassen, der Lichtempfänger 33 kann eine oder mehrere Photodioden aufweisen. Von der Lichtquelle 32 emittiertes Messlicht durchstrahlt das Aufschlussgefäß 25 entlang eines durch das in dem Aufschlussgefäß 25 enthaltene Reaktionsgemisch verlaufenden Messpfads und trifft auf den Lichtempfänger 33.
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Der fotometrische Sensor 31 erzeugt ein von der Intensität der auf den Lichtempfänger 33 auftreffenden Lichtintensität abhängiges elektrisches Messsignal, das eine (hier nicht näher dargestellte) Sensorschaltung gegebenenfalls verstärkt und/oder digitalisiert. Die auf den Lichtempfänger 33 auftreffende Lichtintensität hängt von der Extinktion bzw. Absorption des in dem Aufschlussgefäß 25 enthaltenen Reaktionsgemisches ab. Die Lichtquelle 32 ist im vorliegenden Beispiel derart ausgestaltet, dass sie als Messlicht Licht mindestens einer Wellenlänge emittiert, dessen Absorption oder Extinktion ein Maß für den Verbrauch des zur Oxidation oxidierbarer Bestandteile der Flüssigkeitsprobe dienenden Aufschlussmittels, im vorliegenden Beispiel Kaliumdichromat, ist. Somit ist das von dem fotometrischen Sensor 31 erzeugte elektrische Messsignal ein Maß für den chemischen Sauerstoffbedarf der Flüssigkeitsprobe.
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Das Analysegerät 1 umfasst schließlich eine Auswertungs- und Steuerungseinrichtung 34. Diese umfasst eine elektronische Datenverarbeitungseinrichtung, die einen oder mehrere Prozessoren und einen oder mehrere Daten- und Programmspeicher aufweist. Die Auswertungs- und Steuerungseinrichtung 34 steht mit dem fotometrischen Sensor 31 in Verbindung und erhält von diesem das, ggfs. digitalisierte und verstärkte, Messsignal. In einem Speicher der Auswertungs- und Steuerungseinrichtung 34 ist ein von dem einen oder den mehreren Prozessoren ausführbares Computerprogramm abgelegt, das der Ermittlung des chemischen Sauerstoffbedarfs anhand des eine Extinktion oder Absorption des Reaktionsgemisches repräsentierenden Messsignals dient.
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Die Auswertungs- und Steuerungseinrichtung 34 ist außerdem mit den einzelnen Bestandteilen der Förder- und Dosiereinrichtung des Analysegeräts 1 verbunden, insbesondere den Pumpen, dem zentralen Ventilschaltwerk 15 und den Einzelventilen 17, 22, 27, 29 verbunden, um einen Transport vorgegebener Flüssigkeitsmengen aus der Probenentnahmestelle 2 und vorgegebener Reagenzienmengen aus den Flüssigkeitsbehältern 5, 6 und 7 in das Aufschlussgefäß 25 zur Durchführung einer Bestimmung des chemischen Sauerstoffbedarfs zu steuern. Gleichermaßen kann die Auswertungs- und Steuerungseinrichtung 34 die Durchführung von Kalibriermessungen steuern, indem sie mittels der Förder- und Dosiereinrichtung statt der Probenentnahmestelle 2 einem oder beiden Standard-Flüssigkeitsbehälter 8, 9 eine vorgegebene Menge einer Standard-Lösung als Flüssigkeitsprobe entnimmt. Die Auswertungs- und Steuerungseinrichtung 34 kann dazu ausgestaltet sein, anhand einer solchen Kalibriermessung eine Justierung des Analysegeräts 1 vorzunehmen. Außerdem kann die Auswertungs- und Steuerungseinrichtung 34 mit der Heizvorrichtung 26 verbunden sein, um die Erhitzung eines in dem Aufschlussgefäß 25 enthaltenen Reaktionsgemisches zu steuern.
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Das Analysegerät kann ein die Flüssigkeitsbehälter, die Dosier- und Fördereinrichtung, den Druckreaktor und die Auswertungs- und Steuereinrichtung umschließendes Gehäuse aufweisen (nicht in der 1 dargestellt). Innerhalb des Gehäuses können ein oder mehrere Gehäuselüfter 35 angeordnet sein. In unmittelbarer Nähe zum Aufschlussreaktor 20 kann ein zusätzlicher Reaktorlüfter 36 angeordnet sein.
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In 2 bis 4 ist der Aufschlussreaktor 20 detaillierter dargestellt. 2 zeigt den aufrecht stehenden Aufschlussreaktor 20, 3 zeigt eine Explosionsdarstellung des Aufschlussreaktors 20 und 4 zeigt eine Querschnittdarstellung des Aufschlussreaktors 20.
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Das Aufschlussgefäß 25 ist als aufrecht stehender Hohlzylinder aus Glas mit der (gedachten) Zylinderachse Z ausgestaltet. Der Hohlzylinder weist eine Einbuchtung 60 auf, in welche bei Bedarf ein Temperaturfühler zur Erfassung eines mit der Temperatur einer in dem Aufschlussgefäß 25 enthaltenen Flüssigkeitsprobe korrelierenden Temperaturmesswertes angeordnet werden kann. Der untere Bereich des Hohlzylinders endet in einem ersten Anschluss 48, an den ein einen Anschluss für die Zuleitung 28 umfassender Flansch adaptierbar ist (hier nicht dargestellt). Die Druckausgleichsleitung 30 ist an einen an dem gegenüberliegenden Ende des Hohlzylinders angeordneten Flansch 49 adaptierbar. Die Außenwandung 39 des Aufschlussgefäßes umfasst neben den die Leitungsmündungen umfassenden, einander gegenüberliegenden Grundflächen des Aufschlussgefäßes eine um die Zylinderachse Z verlaufende Zylindermantelfläche.
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Die Heizvorrichtung 26 umfasst zwei einander gegenüberliegend angeordnete, identisch ausgestaltete Heizbacken 40, 41, die gegen die Außenwandung 39 des Aufschlussgefäßes 25 anliegende konkave Heizflächen 45, 46 aufweisen. Der Flächeninhalt der Heizflächen 45, 46 ist in Summe geringer als der Flächeninhalt der Zylindermantelfläche der Außenwandung 39. Die dadurch freibleibenden Bereiche der Außenwandung 39 können von dem Messpfad des fotometrischen Sensors 31 durchlaufen werden.
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Die Heizbacken 40, 41 sind im vorliegenden Beispiel aus Aluminium gebildet. Sie weisen jeweils eine parallel zur Zylinderachse Z verlaufende Bohrung 43, 44 auf, in der als Heizelement jeweils ein Leistungswiderstand eingebettet ist. Zur Einbettung der Leistungswiderstände kann beispielsweise Wärmeleitpaste oder Wärmeleitsilikon verwendet werden. Die Heizbacken 40, 41 sind in einer Halterung 42 aufgenommen, die zwei einander gegenüberliegende Durchgangsöffnungen 52, 53 aufweist, in denen rückseitig an den Heizbacken 40, 41 angreifende Schrauben 54, 55 angeordnet sind. Mittels der Schrauben sind die Heizbacken 40, 41 entlang einer die Zylinderachse Z orthogonal schneidenden Flächennormalen der durch die Außenwandung 39 gebildeten Zylindermantelfläche verschiebbar, um die Heizflächen 45, 46 gegen die Außenwandung 39 des Aufschlussgefäßes 25 anzudrücken. Auf diese Weise kann die die Maßtoleranz des Aufschlussgefäßes 25 ausgeglichen werden. Die Halterung weist außerdem im hier gezeigten Beispiel zwei einander gegenüberliegende Öffnungen 50, 51 auf, die der Aufnahme des Lichtsenders 32 und des Lichtempfängers 33 dienen. Der zwischen Lichtsender 32 und Lichtempfänger verlaufende optische Messpfad verläuft vorzugsweise senkrecht zu der Flächennormalen, entlang derer die Heizflächen gegen die Außenwandung 39 des Aufschlussgefäßes 25 angedrückt werden.
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Die Heizbacken 40, 41 weisen auf ihren nicht an der Außenwandung 39 des Aufschlussgefäßes 25 anliegenden, von der Halterung 42 umgebenen, sich axial bezüglich der Zylinderachse Z erstreckenden Seitenflächen Rippen 56 auf, um einen vollflächigen Kontakt mit der Halterung 42 und damit unerwünschte Wärmeableitung an die Halterung 42 zu vermeiden.
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Der Verfahrensablauf zur fotometrischen Bestimmung des chemischen Sauerstoffbedarfs einer Flüssigkeitsprobe mittels des Analysegeräts 1 ist beispielsweise wie folgt:
Zunächst wird mittels der Probenentnahmevorrichtung 3 Flüssigkeit über die Flüssigkeitsleitung 4 aus der Probenentnahmestelle 2 in das Dosiergefäß 38 transportiert. Dabei sind entsprechend die zu den Flüssigkeitsbehältern 5, 6, 7, 8, 9, 21 und dem Aufschlussreaktor 20 führenden Flüssigkeitsleitungen durch Ventile gesperrt. Das Dosiergefäß 38 ist während der Flüssigkeitsförderung über die Flüssigkeitsleitung 4 im hier beschriebenen Beispiel mit der Atmosphäre 18 verbunden. Alternativ können die Kolbenpumpe 16 und das Dosiergefäß 38 während des Transports der Flüssigkeit über die Flüssigkeitsleitung 4 in das Dosiergefäß 38 von der Atmosphäre 18 getrennt werden, so dass die Kolbenpumpe 16 den Flüssigkeitstransport unterstützen kann. Mittels der Lichtschranken 23, 24 steuert die Auswertungs- und Kontrolleinrichtung 34 die Dosierung der Flüssigkeit in das Dosiergefäß 38. Ist im Dosiergefäß 38 ein vorgegebener Füllstand erreicht, beendet die Auswertungs- und Steuerungseinrichtung 34 den Transport von Flüssigkeit in das Dosiergefäß 38. Danach wird das Dosiergefäß 38 mit dem Aufschlussgefäß 25 verbunden, indem das Ventil 27 zur Freigabe der in das Aufschlussgefäß 25 mündenden Flüssigkeitszuleitung 28 geöffnet wird. Gleichzeitig werden die Kolbenpumpe 16 und das Dosiergefäß 38 von der Atmosphäre 18 getrennt, soweit sie nicht schon bei der Förderung der Flüssigkeit in das Dosiergefäß 38 von der Atmosphäre 18 getrennt waren. Mittels der Kolbenpumpe 16 wird die in dem Dosiergefäß 38 enthaltene Flüssigkeit in das Aufschlussgefäß 25 transportiert, wobei die Lichtschranken 23, 24 gegebenenfalls zur Feindosierung dienen können.
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Alternativ zu der aus der Probenentnahmestelle 2 entnommenen Flüssigkeitsprobe kann für den Fall, dass eine Kalibrierung und/oder Justierung durchgeführt werden soll, in analoger Weise auch eine vorgegebene Menge der beiden Standardlösungen oder eine Mischung aus den beiden Standardlösungen aus den Behälter 8, 9 in das Aufschlussgefäß 25 transportiert werden. Der weitere Ablauf der Kalibriermessung ist identisch mit dem im Folgenden beschriebenen weiteren Verlauf der CSB-Bestimmung.
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Der im Aufschlussgefäß vorgelegten Flüssigkeitsprobe wird jeweils eine vorgegebene Menge Schwefelsäure, als Maskierungsmittel dienendes Quecksilbersulfat, sowie als Aufschlussmittel dienendes Kaliumdichromat zugegeben. Diese Reagenzien werden mittels der Kolbenpumpe 16 unter Zusammenspiel des zentralen Ventilschaltwerks 15, dem die Flüssigkeitszuleitung 28 des Aufschlussreaktors 20 verschließenden Ventil 27 und dem Druckausgleichsventil 29 dosiert und in das Aufschlussgefäß 25 transportiert. Zur Dosierung können wieder die Lichtschranken 23, 24 dienen.
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Anschließend werden die in das Aufschlussgefäß 25 mündende Flüssigkeitszuleitung 28 und die Druckausgleichsleitung 30 mittels der Ventile 27 und 29 verschlossen und die Heizvorrichtung 26 in Betrieb genommen. Die Heizvorrichtung 26 heizt das in dem Aufschlussgefäß 25 befindliche, die Flüssigkeitsprobe und die zugesetzten Reagenzien umfassende Reaktionsgemisch auf eine Temperatur von ungefähr 175°C bei einem Druck von 5 bis 10 bar auf und hält diese Temperatur konstant. Mit Beginn des Heizvorgangs wird mittels des fotometrischen Sensors 31 quasi-kontinuierlich die Extinktion und/oder die Absorption des Reaktionsgemisches bestimmt. Die Extinktions- bzw. Absorptions-Werte werden mittels der Auswerte- und Steuerungseinrichtung 34 ausgewertet.
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Sobald ein festgelegter Zustand in Bezug auf die Extinktion oder Absorption erreicht ist, wird die Extinktions- oder Absorptionsmessung beendet. Der festgelegt Zustand kann ein Wert minimaler zeitlicher Änderung der Extinktion oder Absorption, beispielsweise eine Änderung der Extinktion von weniger als einem Prozent in 10 Sekunden, sein. Der bei Erreichen des festgelegten Zustands vorliegende Messwert der Extinktion oder Absorption wird von der Auswertungs- und Steuerungseinrichtung zur Bestimmung des chemischen Sauerstoffbedarfs der Probe verwendet. Nach Erreichen des festgelegten Zustands kann der Aufschluss der Flüssigkeitsprobe beendet und die Heizvorrichtung 26 außer Betrieb genommen werden. Mittels der Ventile 27 und 37 kann die Flüssigkeitszuleitung 28 des Aufschlussgefäßes 25 mit dem Abfallbehälter 21 verbunden werden und das verbrauchte Reaktionsgemisch kann über die Flüssigkeitsleitung 28 aus dem Aufschlussgefäß 25 abgelassen und in den Abfallbehälter 21 transportiert werden. Es ist zur Sicherstellung einer vollständigen Entleerung des Aufschlussgefäßes 25 möglich, zunächst nur das Ventil 27 zu öffnen und das verbrauchte Reaktionsgemisch mittels der Kolbenpumpe 16 zunächst in das Dosiergefäß 38 zu transportieren, anschließend das Ventil 27 wieder zu verschließen, gleichzeitig das Ventil 37 zu öffnen und das verbrauchte Reaktionsgemisch aus dem Dosiergefäß in den Abfallbehälter 21 zu transportieren. Währenddessen sind die durch das zentrale Ventilschaltwerk 15 betätigbaren Ventile, die zum Freigeben oder Sperren der Flüssigkeitsleitungen 10, 11, 12, 13 und 14 dienen, geschlossen, um zu verhindern dass das verbrauchte Reaktionsgemisch in die Flüssigkeitsbehälter 5, 6, 7, 8 und 9 gelangt.
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In einem alternativen Verfahren kann der Aufschluss der Flüssigkeitsprobe durch Erhitzen des Reaktionsgemisches unter Druck über einen vorgegebenen Zeitraum, z.B. auf 175°C bei einem Druck von 5 bis 10 bar über einen Zeitraum von 30 bis 120 Minuten, durchgeführt werden. Eine quasi-kontinuierliche Überwachung der Extinktion bzw. Absorption ist in diesem Fall nicht erforderlich, kann aber, beispielsweise zur Gewinnung zusätzlicher Informationen, trotzdem durchgeführt werden. Nach Ablauf des vorgegebenen Zeitraums kann die Extinktion und/oder Absorption des Reaktionsgemisches erfasst und zur Bestimmung des CSB-Werts der Flüssigkeitsprobe verwendet werden. Das verbrauchte Reaktionsgemisch kann, wie voranstehend beschrieben, abgekühlt, und dem Abfallbehälter 21 zugeführt werden.
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Alle hier beschriebenen Verfahrensschritte werden im hier beschriebenen Beispiel von der Auswertungs- und Steuerungseinrichtung 35 automatisiert durchgeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10360066 A1 [0006, 0006]
- CN 102519780 A [0007, 0011, 0011]
- DE 102011075762 A1 [0023]
