DE1159668B - Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Messen, Aufzeichnen und zur Kontrolle der Konzentration einer Komponente einer fluessigen Loesung - Google Patents

Description

Es ist bekannt, daß die Oberflächenspannung einer 35 andererseits sich in Tropfen auflöst.
Flüssigkeit das Bestreben hat, den Oberflächenbereich Der Zeitraum der Oszillation des Strahles ist nur

so klein als möglich zu gestalten. Die Erfindung be- verhältnismäßig gering durch die Viskosität der Flüsnutzt diese Tatsache und verwendet demgemäß einen sigkeit beeinflußt, vorausgesetzt, daß die Viskosität Flüssigkeitsstrahl von im wesentlichen elliptischem mäßig ist. Dies gilt, obgleich die Viskosität die Querschnitt, der aus einer elliptischen Ausflußöffnung 40 Dämpfung der Oszillation bestimmt. Demzufolge ist austritt. Ein nicht kreiszylindrischer Strahl ist keine für eine besondere Form und Größe der Ausfluß-Gleichgewichtsfigur. Er strebt einer stabileren Form Öffnung (durch die die Menge der austretenden Flüsmit kleinerer Oberfläche zu. Die Oberflächenspannung sigkeit bestimmt wird) die Periode der Oszillation des versucht, die Gestalt des Querschnitts des Strahles zu Flüssigkeitsstrahles für eine Flüssigkeit, die nicht ändern, bis der Querschnitt kreisförmig ist. Das der 45 übermäßig viskos ist, bestimmt durch das Verhältnis Flüssigkeit innewohnende Moment führt indessen der Oberflächenspannung zur Dichte Τ/ρ, worin T dazu, daß ein Pendeln um diese Gleichgewichtslage die Oberflächenspannung und ρ die Dichte bedeutet, eintritt, wie deutlich aus einer Folge von Querschnit- In dem Fall, daß der Flüssigkeitsstrahl aus einer

ten erkennbar ist, die durch den Strahl von oben nach kleinen Ausflußöffnung austritt, die unterhalb eines unten gehend gelegt werden. Der Flüssigkeitsstrahl 50 konstanten Flüssigkeitsniveaus in einem verhältnisnimmt so zunächst einen elliptischen Querschnitt an, mäßig großen Behälter liegt, besagt das Torricellische dessen Hauptachse im rechten Winkel zu der Haupt- Theorem, daß ν²=2 gh ist, worin ν die Geschwindig-

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keit des Strahles, g die Erdbeschleunigung und h die Höhe des Flüssigkeitsspiegels über dem Austritt des Flüssigkeitsstrahles ist. Diese Bedingung wird erfüllt, indem man einen konstanten Ausflußdruck der Flüssigkeit in dem genannten Ausflußbehälter einhält und indem man ein verhältnismäßig breites Ausflußrohr einer geeigneten Form nimmt, das in eine Messerschneidenöffnung übergeht. Die Geschwindigkeit des Strahles ist dann unabhängig von der Dichte, der Temperatur und der Viskosität der Flüssigkeit.

von Prismen, Linsen, Fotovervielfacherröhren (Fotozellen) und der bereits genannten Lichtquelle angebracht werden. Die letztere ist so angeordnet, daß eine Wellenlänge des Flüssigkeitsstrahles beleuchtet ist.

Wenn die wagenähnliche Vorrichtung in der optischen Achse einer reflektierenden Oberfläche des Flüssigkeitsstrahles angeordnet ist, kann ein leuchtender Fleck durch das Teleskop beobachtet werden. Vor der Einblicköfmung des Teleskops und mit einem geringen gegenseitigen Abstand sind zwei Prismen angeordnet, die das Bild der reflektierenden Oberfläche des Flüssigkeitsstrahles aufnehmen und mit Hilfe von Linsen auf zwei Fotovervielfacherröhren re~

Beide Komponenten Γ und ρ sind abhängig von der Temperatur.

Im allgemeinen kann gesagt werden, daß der Temperaturkoeffizient der Oberflächenspannung viel

größer ist als der Temperaturkoeffizient der Ausdeh- 15 flektieren, eine auf jeder Seite des Beobachtungsfern-

nung und daß für die praktischen Zwecke dies die rohres.

einzige Variable von Wichtigkeit ist. Wenn T und ρ An Stelle des beschriebenen Verfahrens, wobei eine Funktionen der Temperatur sind, wobei diese Funk- Reflexion von der Oberfläche des Strahles erhalten tionen linear sein mögen oder nicht, kann ein wird, die ähnlich einer von einem konvexen Spiegel Temperaturkompensationswiderstand vorgesehen sein, 20 erhaltenen ist, kann das Verfahren auch derart der für die besonderen Flüssigkeiten justiert wird, die durchgeführt werden, daß ein schmaler, den Flüssigfür die Messung verwendet werden. keitsstrahl durchsetzender paralleler Lichtstrahl ver-

Für einen Strahl von konstanter Geschwindigkeit wendet wird, der von einer geeigneten Lichtquelle

bilden die genannten Oszillationen während der Oszil- ausgeht und eine Wellenlänge des oszillierenden

lation stehende Wellen. Deren Wellenlänge ist ab- 25 Flüssigkeitsstrahles beleuchtet. Die stehenden WeI-

hängig von dem Verhältnis Τ/ρ, so daß, wenn sich T ändert, sich die Wellen entlang dem Strahl bewegen werden.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Konzentration einer Komponente einer flüssigen Lösung, wobei diese mit konstanter Geschwindigkeit aus einer unrunden Öffnung austritt und aus den in Ausflußrichtung sich bildenden periodischen Einschnürungen und Ausbuchtungen auf die Oberflächenspannung bzw. auf die chemische Natur des ausströmenden Mediums geschlossen wird. Die Erfindung besteht darin, daß die Periode der Querschnittsänderung des Flüssigkeitsstrahles bzw. die räumliche Lage einer bestimmten Phase dieser Änderung optisch durch eine fotoelektrische Nachlaufeinrichtung bestimmt wird.

Die stehenden Wellen bilden gleichsam ein System von Linsen und Spiegeln mit unterschiedlichen Radien und Krümmungen, so daß, wenn eine geeignete Lichtquelle verwendet wird, eine Reflexion von der Oberfläche des Strahles erhalten werden kann, die ähnlich ist derjenigen, die von einem konvexen Spiegel erhalten wird. Ein Lichtstrahl, der durch die Oberfläche des Strahles hindurchtritt, wird wie in einer Sammellinse gebrochen, wird dann von der der so Lichtquelle abgekehrten konkaven Oberfläche des Strahles reflektiert und wird dann wiederum beim Austritt aus dem Flüssigkeitsstrahl durch dessen konvexe Oberfläche gebrochen. Die beiden Lichtstrahlen, die von der Front- und von der Rückseite des Flüssigkeitsstrahles reflektiert werden, fallen zusammen, wenn das erzeugende Licht in der optischen Achse der Linsenoberfläche liegt. Wenn der Lichtstrahl in einer Ebene senkrecht zur Achse des Flüssigkeitslen des Flüssigkeitsstrahles, die Linsen bilden, fokussieren den parallelen Lichtstrahl, wenn er durch den Flüssigkeitsstrahl geht.

Mit Hilfe einer Lichtanzeigevorrichtung, die in der Brennpunktebene einer der genannten Linsen angeordnet ist, kann die Lage der Maximum- oder Minimumamplitude einer Welle genau bestimmt werden. Die Lichtanzeigevorrichtung ist ebenfalls in üblicher Weise auf einem geführten Beobachtungswagen angeordnet zusammen mit einer geeigneten Anordnung von Prismen, Linsen und Fotozellen.

Wenn der Beobachtungswagen in der Brennpunktebene einer stehenden, von dem oszillierenden Flüssigkeitsstrahl gebildeten Welle angeordnet ist, fällt das Licht, das durch die von der stehenden Welle gebildete Linse geht, zwischen zwei Prismen. Diese Prismen sind in einem geringen Abstand voneinander aufgestellt, so daß das Bild Teile beider Prismen bedeckt und durch Linsen zu zwei Fotozellen geleitet wird.

Wenn eine Wellenlänge des Flüssigkeitsstrahles vollständig durch einen parallelen Lichtstrahl beleuchtet ist, kann es eintreten, daß die eine konkave zylindrische Linse bildenden Teile des Flüssigkeitsstrahles auch Licht erhalten, wobei ein diffuser Hintergrund erscheint und die beiden Fotozellen beeinflußt. Um diesen Schwierigkeiten zu begegnen, die sich in ungenauen Messungen auswirken können, können Lichtblenden verwendet werden, so daß die besagte Wellenlänge des Flüssigkeitsstrahles durch ein schmales Lichtbündel beleuchtet ist.

Der wagenähnliche Träger kann mit Hilfe von geeigneten Verstärkern und Relais, Getrieben und elektrischen Motoren bewegt werden. Sollte sich dieser

Strahles verläuft, kann die Lage der Maximum- oder 60 Wagen außermittig der reflektierten Oberfläche oder

Miiiimumamplitude der Wellen genau mit Hilfe von Anzeigemitteln festgestellt werden. Dieses kann beispielsweise ein Teleskop sein. Je größer der Abstand des Teleskops von dem Flüssigkeitsstrahl ist, um so genauer können die Veränderungen der Wellen verfolgt werden.

Die optische Anzeigevorrichtung kann auf einem geführten Meßwagen zusammen mit der Anordnung der beleuchteten, stehenden Welle des Flüssigkeitsstrahles befinden, so daß das Licht nur auf das eine der genannten Prismen fällt und nur eine von den genannten Fotozellen angeregt ist, wird eine Bewegung des genannten wagenähnlichen Trägers erzeugt, bis dieser Träger in die optische Achse der reflektierenden Oberfläche des Flüssigkeitsstrahles oder in die Brennpunktebene der beleuchteten, stehenden Welle

zurückgeführt ist. Auf diese Weise wird jede Änderung in der Konzentration der flüssigen Lösung fortlaufend gemessen. Wenn der wagenähnliche Träger auf eine bestimmte reflektierende Oberfläche oder eine stehende Welle des Strahles einmal eingestellt ist, folgt er fortlaufend und bleibt der reflektierenden Oberfläche oder der stehenden Welle gegenüber, wenn sich diese Oberfläche oder stehende Welle auf und ab des Flüssigkeitsstrahles bewegt.

Die Position des fahrbaren Wagens regelt einen zweiten elektrischen Stromkreis, wobei in diesem ein temperaturempfindlicher Widerstand bekannter Bauart eingeschaltet sein kann. Dieser Widerstand steht in Temperaturkontakt mit der flüssigen Lösung. Derart werden jegliche auf Temperaturänderungen zurückzuführende Änderungen in der Oberflächenspannung der zu untersuchenden Lösung selbsttätig kompensiert.

Mit bekannten Mitteln können die Messungen unmittelbar in Form einer Anzeige der prozentualen Konzentration der zu bestimmenden Komponente der zu untersuchenden Flüssigkeit erfolgen. Ähnlich können auch ein Schreibgerät und eine selbsttätige Vorrichtung zur Kontrolle besonderer industrieller Verfahren in den Stromkreis eingeschaltet sein.

Die Lage des beweglichen Wagens und die Temperaturkompensation können auch mit HiKe bekannter pneumatischer oder hydraulischer Mittel geregelt werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung seien an Hand der Zeichnung erklärt, und zwar zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die zum Messen der Konzentration von einer der Komponenten einer flüssigen Lösung dient und in der durchfallendes Licht verwendet wird,

Fig. 2 und 3 die schematische Darstellung einer Abänderung der Vorrichtung nach Abb. I₃ bei der reflektiertes Licht verwendet wird,

Fig. 4 die schematische Anordnung einer Vorrichtung der in den Fig. I₃ 2 und 3 dargestellten Art für den Gebrauch bei einer Flüssigkeit, die giftige Dämpfe abgibt, und

Fig. 5 eine schematische Darstellung des elektrischen Stromkreises, wie er für eine Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2 verwendet wird und der Kompensationsmittel für Temperaturschwankungen enthält.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung, die durchfallendes Licht verwendet, besteht aus einem Tank 1 mit konstantem Druck, der gleichzeitig als eine Falle für kleine, feste Partikeln dient. Die Flüssigkeit fließt entlang einem Platinwiderstandsthermometer 2 zu einem Gefäß 3, in dem der osziUierende Flüssigkeitsstrahl koaxial verläuft, wobei rechtwinklig zu diesem ein paralleler Lichtstrahl 5 geschickt wird. Dieser Lichtstrahl wird durch den Flüssigkeitsstrahl 4 fokussiert zu einem Bild»finder« 6. Der letztere enthält zwei Fotovervielfacher 7 und 8 und zwei eng nebeneinander liegende Prismen 10 und 11. Ein dritter Fotovervielfacher 9 kann vorgesehen sein und wird nur angeregt, wenn der Lichtstrahl 12 zwischen den Prismen 10 und 11 durchtritt. Wenn der Bildfinder 6 zu niedrig steht, fällt der fokussierte Lichtstrahl 12 auf das obere Prisma 10 und von da zu der oberen Fotovervielfacherröhre 7, die einen elektrischen Impuls an den Verstärker gibt, der in dem Gehäuse 13 untergebracht ist. Dadurch wird der Motor 14 in einer derartigen Richtung eingeschaltet, daß der Bildfinder 6 mittels des Getriebes 15 und der Schraube 16 gehoben wird. Umgekehrt, wenn der Bildfinder 6 zu hoch steht, wird die untere Fotovervielfacherröhre8 angeregt und der Bildfinder 6 gesenkt. Ein Trommelpotentiometer, das schematisch mit 17 dargestellt ist, wird von dem Schraubenschaft 16 angetrieben. Das Gehäuse 13 enthält neben dem Verstärker auch eine Stromquelle.
Die vorbeschriebene Vorrichtung verwendet einen

ίο durch den oszillierenden Flüssigkeitsstrahl hindurchtretenden Lichtstrahl. In den Fig. 2 und 3 ist eine Vorrichtung dargestellt, bei der ein reflektierter Lichtstrahl verwendet wirid. Der übrige Teil der Apparatur ist im wesentlichen der gleiche wie der in Fig. 1 dargestellte. Der Lichtstrahl 19 geht von einer Lichtquelle 18 mit einem dünnen, geraden Glühdraht aus und verläuft entlang der Geraden 19 (vgl. Fig. 3) zu dem Flüssigkeitsstrahl 4. Der Lichtstrahl 19 wird an der ersten Oberfläche 21 des Flüssigkeitsstrahles 4 gebrachen und an der zweiten Oberfläche 22 reflektiert. Anschließend wird er wiederum an der ersten Oberfläche 21 gebrochen, um zwischen den Prismen 10 und 11 des Bildfinders 6 fokussiert zu werden.

Wenn die Konzentration einer Flüssigkeit gemessen

as werden soll, die giftige Gase, wie z. B. nitrose Gase, abgibt, wird ein Fenster 23 zwischen dem oszillierenden Flüssigkeitsstrahl 4 und dem Anzeigeapparat eingebaut. Wenn die Temperatur des Flüssigkeitsstrahles 4 höher ist als die Umgebung, kondensieren sich die giftigen Gase in Form von Tropfen auf der dem Flüssigkeitsstrahl 4 zugekehrten Seite des Fensters 23, wodurch eine einwandfreie Abbildung verhindert wird. Um dies zu vermeiden, wird die dem Flüssigkeitsstrahl 4 zugekehrte Seite des Fensters 23 kontinuierlich durch einen Flüssigkeitsfilm 24 bespült. Hierzu dient der Kanal 25, entlang dem der Flüssigkeitsfilm zugeführt wird und der zwischen dem Fenster 23 und einem Rahmenteil 26 liegt, wobei die Querausdehnung des Kanals 25 entsprechend der Oberflächenspannung der verwendeten Flüssigkeit gewählt wird. Die Querausdehnung beträgt z. B. für eine alkoholische Wasserlösung etwa 0,075 mm. Der den Film erzeugende Kanal 25 wird von einem Behälter 27 gespeist, der sich im wesentlichen entlang dem gesamten Rahmenteil 26 erstreckt, wobei dieser Behälter durch eine Füllkapillare 28 von dem Tank 1 — gleichbleibende Ausflußhöhe — beschickt wird. Dabei ist der kapillare Zufluß benachbart zu der elliptischen Ausflußöffnung 29. Der Behälter 27 ist mit einer Überlauföffnung 30 versehen.

Eine Wheatstonesche Brückenschaltung, die Mittel zur Kompensation von Änderungen des Temperaturkoeffizienten enthält, ist schematisch in der Fig. 5 dargestellt. Da die Oberflächenspannung der gemessenen Flüssigkeit, wie z. B. Salpetersäure, verschiedene Temperaturkoeffizienten für verschiedene Konzentrationen haben kann, ist ein Kompensationsmittel vorzusehen, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, das von der zu messenden Flüssigkeit und der geforderten Genauigkeit abhängt.

R₃ stellt ein Trommelpotentiometer mit einem Schleifkontakt 31 dar, das abwechselnd in Verbindung mit dem Bildfinder 6 auf oder ab bewegt wird und im wesentlichen den elektrischen Strom ändert.

Dieses Trommelpotentiometer R₃ kann mit Manganinwiderstandsdraht bewickelt sein. Die Anzahl der Windungen ist abhängig von der zu messenden Flüssigkeit. R₁. stellt ein zweites Trommelpotentiometer

dar, das mit dem Bildfinder 6 gekuppelt ist, dessen Bewegung die Konzentrationsänderungen bei Temperaturänderungen kompensiert. Dieses ist ebenfalls mit Manganinwiderstandsdraht bewickelt und mit gut leitendem Kupferdraht. Der Betrag der Windungen ist abhängig von der zu messenden Flüssigkeit.

R₅ stellt ein Platinwiderstandsthermometer dar. Dieses ist in Wärmekontakt mit der Flüssigkeit und mit den Widerständen R₁, R₂ und i?₄ und bildet mit ihnen eine Wheatstonesche Brückenschaltung.

Wenn Flüssigkeit einer bestimmten Konzentration durch den Apparat geschickt wird, wird der Bildfinder 6 auf ein Bild eingestellt, während er mit den Trommelpotentiometern i?3 und R₆ nicht verbunden ist. Diese Trommelpotentiometer werden dann gedreht, bis die Brücke in Gleichgewicht kommt, worauf sie dann mit dem Bildfinder 6 gekuppelt werden. Um die Vorrichtung zu eichen, wird Flüssigkeit von der höchsten oder niedrigsten zu erwartenden Konzentration durchgeschickt und der Widerstand R₁ so eingestellt, daß das Galvanometer G den Wert der bekannten Konzentration anzeigt. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet — in welcher Form es auch durchgeführt wird — durch eine fortlaufende Messung der Oberflächenspannung einer flüssigen Lösung, die Konzentration einer Komponente dieser Lösung fortlaufend innerhalb weiter Temperaturgrenzen zu bestimmen, und zwar außer in den Fällen, in denen bei sich ändernder Konzentration das Verhältnis Τ/ρ konstant bleibt. Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde gefunden, daß die Oberflächenspannung der Lösung praktisch, d. h. für den Meßzweck, nicht durch die Anwesenheit von verhältnismäßig kleinen Mengen von Verunreinigungen beeinflußt wird. Es wurde weiterhin gefunden, daß offenbar dank der Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahles und der Bildung frischer Oberflächen für die Flüssigkeit die Genauigkeit des Verfahrens nicht durch die Anwesenheit von oberflächenaktiven Mitteln, wie z. B. manchen Detergentien und Seifen in mäßigen Mengen, beeinflußt wird.

Die Genauigkeit der Methode ist größer als l°/o, bezogen auf Konzentration in bestimmten Fällen, und ist anwendbar innerhalb einer weiten Grenze für industrielle Produkte sowie z. B. zur Bestimmung von Konzentrationen und Lösungen von Salpetersäure, Phosphorsäure, kaustischer Soda, Alkohol und Mischungen leichter Öle.

Claims (10)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zum kontinuierlichen Messen der Konzentration einer Komponente einer flüssigen Lösung, die aus mehreren Komponenten besteht, deren Konzentrationen bis auf die Konzentration der einen zu überwachenden Komponente konstant gehalten werden, wobei diese mit kon

stanter Geschwindigkeit aus einer unrunden öffnung austritt und aus den in Ausflußrichtung sich bildenden periodischen Einschnürungen und Ausbuchtungen auf die Oberflächenspannung bzw. auf die chemische Natur des ausströmenden Mediums geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Periode der Querschnittsänderung des Flüssigkeitsstrahles bzw. die räumliche Lage einer bestimmten Phase dieser Änderung optisch durch eine fotoelektrische Nachlaufeinrichtung bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl durch den Flüssigkeitsstrahl geleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl von dem Flüssigkeitsstrahl reflektiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Lösung aus einer

ao Ausflußöffnung elliptischer Gestalt austritt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl einer Lichtquelle in der Ebene des Flüssigkeitsstrahles diesen durchsetzt und daß ein parallel dem Flüssigkeitsstrahl bewegbarer, mit Mitteln zu seinem Antrieb versehener wagenähnlicher Bauteil eine fotoelektrische Vorrichtung zur Bestimmung der Änderung des von dem Flüssigkeitsstrahl kommenden Lichtes trägt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ebenfalls auf dem wagenähnlichen Bauteil angeordnet und der Lichtstrahl vom Flüssigkeitsstrahl reflektiert ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in thermischem Kontakt mit der flüssigen Lösung Temperaturkompensationsmittel stehen, die auf Aufzeichnungsvorrichtungen einwirken, und daß der wagenähnliche Bauteil durch die Temperaturkompensationsmittel gesteuert wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß fotoelektrische Vorrichtungen angeordnet sind, die die normale Einfallrichtung des einfallenden Lichtstrahles messen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Flüssigkeitsstrahles konstanter Geschwindigkeit ein Tank konstanter Füllhöhe vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausflußöffnung elliptische Gestalt hat.

In Betracht gezogene Druckschriften: H. Freundlich, »Kapillarchemie«, Bd. 1, Leipzig 1930, S. 14 bis 29 und 47 bis 53.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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