DE102017117514A1

DE102017117514A1 - Verwendung einer Messanordnung umfassend ein Messgerät zur Dichtebestimmung mit einem Messaufnehmer vom Vibrationstyp

Info

Publication number: DE102017117514A1
Application number: DE102017117514.8A
Authority: DE
Inventors: Silvan Wirth; Patrick Reith
Original assignee: TrueDyne Sensors AG
Current assignee: TrueDyne Sensors AG
Priority date: 2017-08-02
Filing date: 2017-08-02
Publication date: 2019-02-07

Abstract

Eine Verwendung einer Messanordnung umfassend ein Messgerät zur Dichtemessung mit einem Messaufnehmer vom Vibrationstyp zur Ermittlung eines pH-Wertes eines sauren oder basischen Messmediums mit einem pK-Wert oder pK-Wert zwischen 4,5 und 9,5 und ein Verfahren zur Ermittlung eines pH-Wertes eines sauren oder basischen Mediums

Description

Die vorliegende Verwendung betrifft eine neuartige Verwendung einer Messanordnung umfassend ein Messgerät zur Dichtebestimmung mit einem Messaufnehmer vom Vibrationstyp.
Online pH-Messung ist im Bereich der Prozessautomatisierung stets eine große Herausforderung. In einigen ausgesuchten Bereichen ist es möglich pH-Elektroden in Form von Kunststoff oder kunststoffummantelten Glaselektroden zu nutzen.
Die meisten pH-Elektroden benötigen jedoch eine häufige Rekalibration in ausgesuchten Pufferlösungen, was bei der Prozessbetreuung stets zusätzlichen Arbeitsaufwand bedeutet.
Alternativ zu online-Messungen kommen häufig auch Varianten zum Einsatz, in welchen eine Probenahme erfolgt und eine anschließende Laboranalyse. Bei druckbelasteten Rohren sind zur Probenentnahme häufig Druckübergange vorgesehen, welche eine besondere Dichtigkeit voraussetzen.
Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik besteht daher im Bereich der pH-Messung ein hoher Bedarf an Messgeräten und Messanordnungen, welche eine online pH-Messung erlauben.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch die erfindungsgemäße Verwendung einer Messanordnung umfassend ein Messgerät zur Dichtebestimmung mit einem Messaufnehmer vom Vibrationstyp mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
Eine erfindungsgemäße Verwendung betrifft eine Messanordnung umfassend ein Meßgerät zur Dichtemessung mit einem Messaufnehmer vom Vibrationstyp zur Ermittlung eines pH-Wertes eines sauren oder basischen Messmediums mit einem pK_S-Wert oder pK_B-Wert zwischen 4,5 und 9,5. Die Bestimmung des pH-Werts erfolgt somit indirekt über die Dichteermittlung. Einen zusätzlichen pH-Sensor weist die Messanordnung nicht auf.
Der vorwiegende Einsatzbereich der Messanordnung betrifft den Bereich der Prozessautomatisierung.
Als saures oder basisches Messmedium bietet sich für die Verwendung vorzugsweise eine Salzlösung an. So kann es sich bei dem sauren oder basischen Medium beispielsweise um eine Salzlösung, auf Basis von Ammoniumchlorid oder dergleichen, handeln. Alternativ kann es sich um eine Lösung aus einem gelösten Feststoff, z.B. eine Säure oder Base in Feststoffform, handeln. Als gelöster Feststoff kommen vereinzelt z.B. Fruchtsäuren in Betracht.
Messaufnehmer vom Vibrationstyp sind im Vergleich zu pH-Glaselektroden an sich robust und erlauben den Einsatz in Bereichen, in welchen bislang der pH-Wert anhand von Probeentnahmen ermittelt wurden. Zudem benötigen sie keine häufige Rekalibrierungen in Salzlösungen. Die Ermittlung kann online, also im laufenden Prozess, erfolgen.
Teure Probennahmeschleusen bzw. Probenehmer bei druckbelasteten Rohrsystemen und die Laboranalysen können dabei entfallen. Durch Ermittlung der Dichte kann grundsätzlich bereits eine pH-Wertbestimmung erfolgen. Die Genauigkeit steigt allerdings erheblich bei Berücksichtigung der Temperatur bzw. Ermittlung der Mediumstemperatur, da dadurch beispielsweise Volumenschwankungen und Löslichkeitseffekte berücksichtigt werden können. Hierfür kann die Messanordnung vorteilhaft einen Temperatursensor aufweisen, welcher eine Ermittlung der Mediumstemperatur des sauren oder basischen Messmediums vornimmt.
Der Temperatursensor als Teil der Messanordung kann beispielsweise, abgesetzt vom Messgerät der Dichtebestimmung, an oder in der Rohrleitung angeordnet sein.
Vorteilhaft in kompakter Bauweise, ist allerdings der Temperatursensor Teil des Messgerätes und innerhalb eines Gehäuse des Messgerätes zusammen mit dem Messaufnehmer vom Vibrationstyp zur Dichtebestimmung, der insbesondere ein vibronischer Messaufnehmer ist, angeordnet.
Die Verwendung kann vorzugsweise derart erfolgen, dass das die Messanordnung, oder zumindest das Messgerät, außenseitig an einer mediumsführenden Rohrleitung angeordnet ist, so dass die Messanordnung beispielsweise auch bei gesteinsführenden Strömungen eingesetzt werden kann. Diese Lösung ist auch als sogenanntes Bypass-Messgerät bekannt.
Vorteilhaft kann der Messanordnung oder dem Messgerät jedoch ein Filterelement vorgeschalten sein, um Partikel, z.B. Sand oder Mikroben, aus dem Medium, also dem sauren oder basischen Messmedium, zu entfernen.
Das Messgerät kann insbesondere einen Messkanal aufweisen, welcher im Wesentlichen aus Silizium und/oder Glas gebildet ist. Diese Art des Messkanals ist in erster Linie die Eigenart eines MEMS-Chips, welcher vorzugsweise in miniaturisierter Ausführung, in der vorgenannten Verwendung einsetzbar ist.
Vorzugsweise kann es sich bei dem Messgerät um ein Coriolis-Dichtemessgerät, insbesondere um ein MEMS-basiertes Coriolis-Dichtemessgerät, handeln. Derartige Dichtemessgeräte werden bereits seit einiger Zeit von der Anmelderin vertrieben, allerdings ist deren Einsatz zur pH-Wertermittlung bislang unbekannt.
Alternativ kann das Messgerät auch zumindest einen Schwingbalken, insbesondere einen Cantilever, oder eine Schwingplatte aufweisen, welche durch das Messgerät zum Schwingen anregbar ist. Entsprechende Dichtemessgeräte sind seit geraumer Zeit, so z.B. aus der DE 36 30 368 C2 , bekannt. Zwei parallel verlaufende Schwingbalken in Form einer Schwinggabel können allerdings auch genutzt werden.
Zusätzlich kann die Messanordnung, insbesondere das Messgerät, einen Trübungssensor aufweisen, zur Überwachung des Sättigungsgrades des Mediums sein. Der pH-Wert von gesättigten Lösungen, in welchen ungelöste Salzpartikel herumschwimmen, kann durch die Messanordnung nicht genau bestimmt werden.
Das Messgerät zur Dichtemessung kann ein Gehäuse aufweisen und kann der Temperatursensor Teil des Messgerätes sein und innerhalb des Gehäuses angeordnet sein. Neben einer kompakten Bauweise wird dadurch eine Temperaturbestimmung nahe der Dichtemessung erreicht, wodurch eine höhere Genauigkeit der pH-Wertbestimmung erreicht wird.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Ermittlung eines pH-Wertes eines sauren oder basischen Messmediums mit einem pK_S-Wert oder pK_B-Wert zwischen 4,5 bis 9,5 durch einem Messanordnung mit einen Meßgerät zur Dichtemessung umfassend einen Messaufnehmer vom Vibrationstyp, weist die folgenden Schritte auf:

a. Das Bereitstellen der Messanordnung umfassend das Messgerät mit einer Auswerteeinheit, welche zumindest einen Datenspeicher aufweist

Auf dem Datenspeicher sind einer oder mehrere Datensätze, auf Basis von Kalibrationsdaten, abgelegt. Diese Kalibrationsdaten können vorzugsweise eine Kalibrationskurve und/oder einer oder mehrere Kalibrationspunkte sein.
Auch einer oder mehrere z.B. durch eine Rechenvorschrift ermittelte Koeffizienten, die aus einem oder mehreren aus der Kalibrationskurve oder Kalibrationspunkten ermittelt bzw. berechnet wurden, können alternativ oder zusätzlich hinterlegt sein.

b. Die Ermittlung einer Dichte und einer Temperatur des sauren oder basischen Messmediums

Die Dichte kann vorteilhaft durch Messung ermittelt werden. Die Temperatur wird aus Gründen höherer Genauigkeit gemessen.

c. Ermittlung eines pH-Werts durch Einbeziehung des Datensatzes oder der Datensätze, sowie der ermittelten Dichte und der ermittelten Temperatur.

Aus dem Datensatz bzw. den Datensätzen, z.B. der Kalibrationskurve, kann in Verbindung mit den ermittelten Dichte und der ermittelten Temperatur, insbesondere anhand einer Rechenvorschrift unter Vorgabe von Termen, erfolgen.
Vor dem Bereitstellen der Messanordnung an einem Messort kann eine Kalibration der Messanordnung mit einem sauren oder basischen Medium mit bekanntem pH-Wert erfolgen.
Die Kalibration der Messanordnung kann insbesondere mit einem Medium mit bekanntem pH-Wert und mit der gleichen Art des Mediums erfolgen, dessen pH-Wert am Messort ermittelt wird.
Beispielsweise kann bei einer Messung von Ammoniumchlorid-Lösung die Kalibration auch mit Ammoniumchlorid als Kalibrationsmedium erfolgen.
Die Messanordnung kann am Messort an oder in einer mediumsführenden Rohrleitung angeordnet sein, wobei das Verfahren bei kontinuierlichem Durchfluss des sauren oder basischen Mediums durch die Rohrleitung durchgeführt wird.
Die Messanordnung kann vorteilhaft am Messort an einer mediumsführenden Rohrleitung angeordnet sein, wobei das Verfahren bei Mediumsdrücken von mehr als 2 bar, vorzugsweise bei 3 bis 20 bar, in der Rohrleitung durchgeführt wird. Typischerweise mussten hierfür bislang in vielen Fällen aufwendige Probennahmestellen vorgesehen sein.
Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Hilfe der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 schematische Darstellung eines Messaufnehmers in MEMS-Bauweise zur Ermittlung eines pH-Wertes eines Messmediums;
2 Blockschaltbild eines Verfahrens zur pH-Wertbestimmung; und
3a bis 3f Diagramme zur Darstellung von Rechenvariablen.

1 zeigt in vereinfachter Darstellung einen Messaufnehmer 1 eines Messgerätes einer erfindungsgemäß-verwendeten Messanordnung in MEMS-Bauweise (Micro-Electro-Mechanical Systems).
Die Begriffe des sauren oder basischen Messmediums und Säure oder Base werden im Rahmen der vorliegenden Anmeldung synonym verwendet.
Der Messaufnehmer ist als Biegeschwinger-Messaufnehmer bzw. in der Art eines Coriolis-Dichtemessgeräts ausgebildet, wobei der Messaufnehmer 1 einen Messkanal 2 aufweist, der kleiner ist als ein Millimeter.
Zur Dichtemessung wird der befüllte Messkanal 2 in resonante Schwingungen versetzt und analysiert. Die resultierende Eigenfrequenz des Messkanals 2 hängt von der Masse und damit von der Dichte des Messmediums im Messkanal 2 ab. Die Eigenfrequenz ist eine Funktion der Dichte des Messmediums. $f \propto \sqrt{\frac{E \cdot I}{ρ_{T u b e} \cdot A_{T u b e} + ρ_{F l u i d} \cdot A_{F l u i d}}}$

F=Eigenfrequenz, E*I = Rohrsteifigkeit, ρ_Tube=Rohrdichte,
A_Tube=Rohrquerschnitt, ρ_Fluid = Messstoffdichte, A_Fluid=Messstoffquerschnitt

Der Messaufnehmer 1 ist über einen Bypass 3 an eine Hauptleitung 4 angeordnet. Abgesehen von einer Anbindungsschicht im Übergangsbereich zu der Hauptleitung 4, welche aus Kunststoff gebildet sein kann, besteht das Material des Messaufnehmers 1 im Wesentlichen aus kristallinem Silicium und/oder Glas.
Der Messkanal 2 kann als Silicium-Rohr ausgebildet sein, welches elektrostatisch bei Unterdruck oder Vakuum in Schwingungen versetzt wird. Entsprechende elektrostatische Anregungssysteme zur Schwingung sind an sich aus dem Bereich der Biegeschwinger auf Basis des Coriolis Messsystems bekannt.
Zur Kompensation von Erwärmungseffekten und zur Echtzeittemperaturerfassung weist der Messaufnehmer 1 einen Temperatursensor 5 auf. Dies kann z.B. ein Platinmesswiderstand sein. Der vorbeschriebene und in 1 dargestellte Messaufnehmer 1 ist an sich bekannt und wird seit Kürzerem durch die True-Dyne-Sensor AG kommerziell vertrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es nunmehr die Funktionalität des vorbeschriebenen Messaufnehmers um das Erfassens eines pH-Wertes zu erweitern.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll anhand von 2 näher erläutert werden.
Es zeigt Eingangswerte in Form einer durch das Messgerät ermittelten Dichte 101, sowie durch einen Temperatursensor ermittelte Temperatur 102 und durch Kalibrationsdaten 103, welche aus dem Datenspeicher einer Auswerteeinheit der Messanordnung abgerufen werden.
Durch die Auswerteeinheit 6 wird unter Anwendung eines parametrischen Modells 104 der pH-Wert 105 als Ausgabewert ermittelt.
Bekannterweise ist der pH-Wert der negativ-dekadische Logarithmus der Wasserstoffionenaktivität. Bei verdünnten Lösungen entspricht dies in Näherung dem negativdekadischen Logarithmus der Stoffmengenkonzentration c an Oxoniumionen in Mol je Liter. $p H = - l o g_{10} a (H^{+}) \approx - l o g_{10} (\frac{\frac{c (H_{3} O^{+})}{m o l}}{l}) = - l o g_{10} (c (H_{3} O^{+}) \cdot \frac{l}{m o l})$
Die Messanordnung weist zusätzlich zum Messaufnehmer 1 die vorgenannte Auswerteeinheit 6 mit einer Recheneinheit 7 und einem Datenspeicher 8 auf.
Auf dem Datenspeicher 8 ist eine mathematische Rechenvorschrift hinterlegt, welche vorzugsweise durch Simulation anhand eines parametrischen Modells ermittelt wurde. Die mathematische Formel umfasst eine Mehrzahl von Termen, welche einen Zusammenhang zwischen der Dichte ρ_l und der Temperatur T_l, schildert. Dabei entspricht i einer Anzahl der Terme K die spezifisch sind für den vorgenannten Sensor. Es gilt: $p H (ρ, T; a_{0} \dots a_{K}) = \sum_{i = 0}^{K} a_{i} \cdot γ (ρ_{i}, T_{i})$
Auf dem Datenspeicher 8 kann weiterhin eine Kalibrierkurve oder einer oder mehrere Kalibrierpunkte pro Medium in Form eines Datensatzes hinterlegt sein. Weiterhin hinterlegt sein können die Dichte des Mediums, bei welchem der Kalibrierpunkt oder die Kalibrierkurve aufgenommen wurde, sowie die Temperatur des Mediums, bei welchem die Kalibrierkurve oder der Kalibrierpunkt aufgenommen wurde, die lonenkonzentration und/oder die Säurekonstante. Um eine materialschonende und genaue pH-Wertbestimmung zu ermöglichen, sollte die pH-Messung vorzugsweise für schwache Säuren, also Säuren bzw. saure Messmedien mit einem pK_S-Wert zwischen 4,5 bis 9,5, erfolgen.
Als Vereinfachung für diese schwachen Säuren wird angegeben, dass in Lösung protonierte Oxoniummoleküle vorliegen und, dass zusätzlich das Verhältnis gilt: $c (H_{3} O^{+}) = \sqrt{K_{s} \cdot c_{0}}$
Bei der Berechnung des pH-Werts sind vorzugsweise einer oder mehrere der folgenden Faktoren zu berücksichtigen:
So kann z.B. beachtet werden, dass die Gleichgewichtskonstante K bei steigender Temperatur zunimmt, wodurch die Dissoziation der Oxoniumionen beeinflusst wird. Wenn die Gleichgewichtskonstante vergrößert ist, sinkt sogleich der pH-Wert.
Weiterhin kann bei der Berechnung berücksichtigt werden dass Lewis-Säuren oder Basen, bei denen die Konzentration der Oxoniumionen abhängig ist von der Löslichkeit des Salzes, insbesondere bei Salzlösungen nahe der Löslichkeitssättigung, eine Temperaturerhöhung Auswirkungen auf den pH-Wert haben kann.
Zudem kann eine Temperaturerhöhung für eine Volumenerhöhung des Messmediums sorgen, wodurch der pH-Wert steigt. Durch ein parametrisches Modell ist es möglich, durch Anwendung numerischer Verfahren einen Abgleich der Kalibrierpunkte und/oder Kalibrierkurve in Abhängigkeit einer gemessenen Dichte einer gemessenen Temperatur vorzunehmen.
Die Funktionen γ(ρ_i, T_i)bilden die Temperaturabhängigkeit ab und verknüpfen sie mit der Dichte, wobei I die Anzahl der Terme K in der Formel darstellt. $p H (ρ, T; a_{0} \dots a_{K}) = \sum_{i = 0}^{K} a_{i} \cdot γ (ρ_{i}, T_{i})$
3a zeigt die Ausprägung der Summenterme in graphischer Form, die Grundform des pH-Wertes kann mit der folgenden Formel angegeben werden:
Sofern das Verfahren bevorzugt für schwache Säuren angewandt wird gilt hier: $p H = - l o g_{10} a (H^{+}) \approx - l o g_{10} (\frac{\frac{c (H_{3} O^{+})}{m o l}}{l}) \to p H = - l o g_{10} (x)$

, da $p H = \sqrt{x},$
kann der pH = -log₁₀(x) angenommen werden, wobei x stets größer als Null ist.
Dieser Zusammenhang ist in 3b dargestellt. Dabei ist lediglich der 1. Quadrant für die Ermittlung des pH-Werts relevant.
3c und d zeigen die Variationen eines Kurvenverlaufs $\frac{1}{x} + b$

x ist dabei, wie bereits vorstehend erörtert;
für den Term b, so ist zu ergänzen, dass je größer b ist umso steiler und kürzer wird der Kurvenverlauf.
b kann als Summenfaktor der Form γ(ρ_i,T_i) verstanden werden. Nunmehr leitet sich die Säurekonstante K als Gleichgewichtskonstante einer chemischen Reaktion aus der Gibbs-Energie G her, wobei R die universelle Gaskonstante ist und T die Temperatur ist. Es gilt: $K_{t h} = e^{\frac{Δ G}{R \cdot T}}$
Für wässrige Lösungen wird hier die Annahme getroffen, dass die Reaktion exergon, d.h. unter den gegebenen Bedingungen freiwillig, abläuft. Daher gilt: $Δ G < 0$
Relevant ist der Exponent e und das Vorzeichen von ΔG und R als Konstante. Als Vereinfachung lässt sich der Exponent als negative Konstante über die Temperatur beschreiben.
Die Gleichgewichtskonstante K nimmt mit steigender Temperatur zu und damit auch die Dissoziation der Säure. Vergrößert sich K, so sinkt also der pH-Wert. Dieser Effekt ist in 3d abgebildet.
Ein ähnlicher Kurvenverlauf ergibt sich für die zuvor bestimmte Konstante B im Verhältnis ( 3e: $\frac{- 1}{T} + b$
b dient in diesem Fall als Offsetfaktor für die Kurve. Durch die Abbildung von b erfolgt als weiterer Summerterm der Form γ(ρ_i, T_i), wobei hier einfach die Potenz von T erhöht werden kann.
Die Berücksichtigung der vorgenannten Effekte erfolgt nach der Annahme dass die Stoffmengenkonzentrationen für ein Stoffgemisch gegebener Zusammensetzung für alle volumenbezogenen Gehaltsgrößen von der Temperatur abhängig sind.
Eine überschlägige Abschätzung erfolgt über den temperaturunabhängig angenommenen Raumausdehnungskoeffizienten γ des Lösungsmittels $c_{i, T_{1}} \approx \frac{c_{i, T_{1}}}{1 + γ \cdot (T_{2} - T_{1})} mit c_{i} = \frac{w_{i} \cdot ρ}{M_{i}}$
Die Stoffmengenkonzentration c_i ergibt sich aus dem Massenanteil w_i eines bestimmten Stoffes mal die Dichte p der Mischphase in Bezug auf die molare Masse M_i des Reinstoffes.
Bei einer Temperaturerhöhung vergrößert sich das Volumen der Lösung geringfügig und die molare Konzentration verringert sich (Mol pro Volumen). Somit steigt der pH-Wert differentiell. Analog sinkt der pH-Wert bei einer Temperaturemiedrigung.
Somit kann eine Funktion z.B. in Form eines Kurvenverlaufs bezüglich des folgenden Verhältnisses $\frac{ρ}{1 + T}$
erstellt (3f) werden.
Zur pH-Berechnung für schwache Säuren gilt: $p H = - l o g_{10} (\sqrt{K_{s} \cdot c_{0}})$
Für ein parametrisches Modell kann eine Linearisierung von negativen Zehnerlogarithmen über das Verhältnis $\frac{1}{x} + b$

erfolgen.
Daher gilt: $p H = \frac{1}{u} + b mit u = \sqrt{K_{s} \cdot c_{0}}$
Die Abbildung von b erfolgt als weiterer Summenterm der Form γ(ρ_i, T_i) $b = a_{0} + a_{1} \cdot ρ + a_{2} \cdot T$
Weiter kann eine Linearisierung von K_S über das folgende Verhältnis erfolgen: $\frac{- 1}{T} + b$
Für die Variation der Terme ergibt sich Folgendes: $K_{s} = a_{3} \cdot \frac{1}{T} + a_{4} \cdot \frac{1}{T^{2}}$
Die Linearisierung der Konzentration c₀ kann über das Verhältnis $\frac{ρ}{1 + T}$
erfolgen, wobei die Konstanten 1+... in den Koeffizienten abgebildet werden.
Für die Variation der Terme ergibt sich sodann Folgendes: $c_{0} = a_{5} \cdot \frac{ρ}{T} + a_{6} \cdot \frac{ρ^{2}}{T} + a_{7} \cdot \frac{ρ}{T^{2}} + a_{8} \cdot \frac{ρ^{2}}{T^{2}}$
Durch Zusammenführen der vorgenannten Terme ergibt sich Folgendes für den Ausdruck: $p H = \frac{1}{u} + b, mit u = \sqrt{K_{s} \cdot c_{0}} und b = a_{0} + a_{1} \cdot ρ + a_{2} \cdot T$
folgende Formel: $p H = \frac{1}{\sqrt{K_{s} \cdot c_{0}}} + a_{0} + a_{1} \cdot ρ + a_{2} \cdot T$
Nunmehr können K_s und c₀ mit den entsprechend linearisierten Ausdrücken eingesetzt werden, dadurch ergibt sich $p H = a_{0} + a_{1} \cdot ρ + a_{2} \cdot T + \frac{1}{\sqrt{[a_{3} \cdot \frac{1}{T} + a_{4} \cdot \frac{1}{T^{2}}] \cdot [a_{5} \cdot \frac{ρ}{T} + a_{6} \cdot \frac{ρ^{2}}{T} + a_{7} \cdot \frac{ρ}{T^{2}} + a_{8} \cdot \frac{ρ^{2}}{T^{2}}]}}$
und durch Umformen: $p H = a_{0} + a_{1} \cdot ρ + a_{2} \cdot T + \frac{1}{\sqrt{[a_{3} \cdot \frac{1}{T} + a_{4} \cdot \frac{1}{T^{2}}]}} + \frac{1}{[a_{5} \cdot \frac{ρ}{T} + a_{6} \cdot \frac{ρ^{2}}{T} + a_{7} \cdot \frac{ρ}{T^{2}} + a_{8} \cdot \frac{ρ^{2}}{T^{2}}]}$
Durch Linearisierung der Kehrwert-/Wurzelterme durch Polynombildung erhält man $p H = a_{0} + a_{1} \cdot ρ + a_{2} \cdot T + [b_{0} + b_{1} \cdot T + b_{2} \cdot T^{2}] + [c_{0} + c_{1} \cdot] + [c_{0} + c_{1} \cdot \frac{T}{ρ} + c_{2} \cdot \frac{T}{ρ^{2}} + c_{3} \cdot \frac{T^{2}}{ρ} + c_{4} \cdot \frac{T^{2}}{ρ^{2}}]$
Schließlich kann die Gleichung bzw. die mathematische Rechenvorschrift durch Entfernung von mehrfachen Termen und durch Vereinheitlichung der Koeffizientenbedingung wie folgt beschrieben werden: $p H (ρ, T; a_{0} \dots a_{7}) = a_{0} + a_{1} \cdot ρ + a_{2} \cdot T + a_{3} \cdot T^{2} + a_{4} \cdot \frac{T}{ρ} + a_{5} \cdot \frac{T}{ρ^{2}} + a_{6} \cdot \frac{T^{2}}{ρ} + a_{7} \cdot \frac{T^{2}}{ρ^{2}}$
Die vom Messaufnehmer ermittelten Größen bezüglich der Dichte und Temperatur können nunmehr direkt zur pH-Wertermittlung genutzt werden. Die Koeffizienten a₀...a₇ können anhand von Kalibrierpunkten oder Kalibrierkurven vorbestimmt werden und auf dem Datenspeicher hinterlegt sein.
Die Rechenvorschrift ermöglicht somit eine kontinuierliche Bestimmung des pH-Werts im Prozess anhand der Dichte und der Temperatur für schwache Säuren.
Dadurch eröffnen sich einige praktische Anwendungen beispielsweise in der Lebensmittelabfüllung zur Einstellung des pH-Werts von fruchtsäurehaltigen Getränken oder Pürees.
Der Messaufnehmer der vorgenannten Bauart ist druckstabil bis zu einem Druck von zumindest zu 20 bar, was bei der überwiegenden Anzahl an pH-Sensoren nicht der Fall ist.
Eine Kalibrierung vor Ort kann entfallen oder in vereinfachter Weise durchgeführt werden, da die Datensätze bzw. Koeffizienten für die Rechenvorschrift bereits durch eine Werkskalibration, vorzugsweise mit dem jeweiligen Messmedium, ermittelt werden können.
Insgesamt ist der Verschleiß und die Ausfallanfälligkeit des Messaufnehmers im Vergleich zu bestehenden Sensoren zur pH-Ermittlung sehr gering.
Während Glaselektroden zur pH-Messung aufgrund der Bruchgefahr nur bedingt im Bereich der Lebensmittelverarbeitung eingesetzt werden können, ermöglicht die neuartige Verwendung der Messanordnung einen größeren Einsatzbereich im Segment der Lebensmittelindustrie.
Weiterhin ist die Messanordnung CIP-fähig (clean in place), so dass auch eine CIP-Reinigung einer Rohrleitung mit angeschlossener Messanordnung problemlos realisiert werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Messaufnehmer
2: Messkanal
3: Bypass
4: Hauptleitung
5: Temperatursensor
6: Auswerteeinheit
7: Recheneinheit
8: Datenspeicher
101: Dichte
102: Temperatur
103: Kalibrationsdaten
104: parametrisches Modell
105: pH-Wert

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3630368 C2 [0018]

Claims

Verwendung einer Messanordnung umfassend ein Meßgerät zur Dichtemessung mit einem Messaufnehmer (1) vom Vibrationstyp zur Ermittlung eines pH-Wertes (105) eines sauren oder basischen Messmediums mit einem pK_S-Wert oder pK_B-Wert zwischen 4,5 und 9,5.
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung einen Temperatursensor (5) aufweist, zur Ermittlung der Mediumstemperatur der des Messmediums.
Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Meßgerät einen Messkanal (2) aufweist, welcher im Wesentlichen aus Silizium und/oder Glas gebildet ist.
Verwendung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Messgerät um ein Coriolis-Dichtemessgerät, insbesondere um ein MEMS-basiertes Coriolis-Dichtemessgerät handelt.
Verwendung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgerät zumindest einen Schwingbalken, insbesondere einen Cantilever, oder eine Schwingplatte aufweist, welche durch das Messgerät zum Schwingen anregbar ist.
Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgerät einen Trübungssensor aufweist, zur Überwachung des Sättigungsgrades des Messmediums.
Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgerätes zur Dichtemessung ein Gehäuse aufweist und dass der Temperatursensor (5) Teil des Messgerätes ist und innerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messmedium als eine Salzlösung oder als eine Lösung mit einem gelösten Feststoff ausgebildet.
Verfahren zur Ermittlung eines pH-Wertes eines sauren oder basischen Mediums mit einem pK_S-Wert oder pK_B-Wert zwischen 4,5 bis 9,5 durch eine Messanordnung mit einem Meßgerät zur Dichtemessung umfassend einen Messaufnehmer vom Vibrationstyp, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die folgenden Schritte: a. Bereitstellen der Messanordnung umfassend das Messgerät mit einer Auswerteeinheit (6), welche zumindest einen Datenspeicher aufweist, auf welchem einer oder mehrere Datensätze auf Basis von Kalibrationsdaten (103), insbesondere eine Kalibrationskurve und/oder einen oder mehrere Kalibrationspunkte oder mehreren aus der Kalibrationskurve oder den einen oder mehreren Kalibrationspunkten ermittelten Koeffizienten einer Rechenvorschrift, aufweist; b. Ermittlung einer Dichte (101) und einer Temperatur (102) des sauren oder basischen Messmediums; und c. Ermittlung eines pH-Werts (105) durch Einbeziehung des Datensatzes oder der Datensätze, sowie der ermittelten Dichte (101) und der ermittelten Temperatur (102).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen der Messanordnung an einem Messort erfolgt und dass vor diesem Bereitstellen eine Kalibration der Messanordnung mit einem sauren oder basischen Medium mit bekanntem pH-Wert (105) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibration der Messanordnung mit einem sauren oder basischen Medium mit bekanntem pH-Wert (105) und mit der gleichen Art des sauren oder basischen Messmediums erfolgt, deren pH-Wert (105) am Messort ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung am Messort an oder in einer mediumsführenden Rohrleitung angeordnet ist, wobei das Verfahren bei kontinuierlichem Durchfluss des sauren oder basischen Messmediums durch die Rohrleitung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung am Messort an einer mediumsführenden Rohrleitung angeordnet ist, wobei das Verfahren bei Mediumsdrücken von mehr als 2 bar, vorzugsweise bei 3 bis 20 bar, in der Rohrleitung durchgeführt wird.