DE19604606A1 - Meßvorrichtung für einen von wenigstens zwei flüchtigen Bestandteilen einer Flüssigkeit, insbesondere einer Fermentationsflüssigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßvorrichtung für einen von wenigstens zwei flüchtigen Bestandteilen einer Flüssigkeit, insbesondere einer Fermentationsflüssig­ keit, mit einem Gehäuse, einem im Gehäuse angeordneten Sensor zum Messen des einen Bestandteiles und mit einer an einem Stützkörper anliegenden Permeations­ membran, die einen ihr gegenüber offenen, im Stützkörper vorgesehenen Träger­ gaskanal gegenüber der Flüssigkeit abdeckt, wobei der Trägergaskanal an eine Trägergaszuleitung angeschlossen und über eine Trägergasableitung mit dem Sensor verbunden ist.

Eine bekannte Meßvorrichtung dieser Art (EP-PS 0 054 537) weist einen in einen Fermentationsbehälter ragenden zylindrischen Stützkern für eine Permeationsmem­ bran in Form eines Schlauchstückes auf, das ein als Trägergaskanal wirksam es Gewinde des Stützkernes umschließt. Dieses Gewinde ist an einem Ende mit einer Trägergaszuleitung und im Bereich des anderen Endes mit einer axialen Bohrung des Stützkernes verbunden die zur Ableitung des Trägergases dient und im Bereich eines Meßsensors mündet. Die flüchtigen Bestandteile aus der den Stützkern mit der Permeationsmembran umspülenden Fermentationsflüssigkeit durchringen die Permea­ tionsmembran und werden mit Hilfe des Trägergases durch das Gewinde des Stütz­ kernes und dessen Axialbohrung der Meßsonde zugefördert . . durch die der in seiner Größe zu bestimmende Bestandteil, beispielsweise aufgrund eines von der Konzen­ tration dieses Bestandteiles abhängigen elektrischen Widerstandes, gemessen wird. Nachteilig bei dieser bekannten Meßvorrichtung ist einerseits, daß beim Messen eines von zwei oder mehreren flüchtigen Bestandteilen der Fermentationsflüssigkeit das Meßergebnis durch die unterschiedlichen Anteile der nicht zu messenden Bestand­ teile im Trägergas erheblich verfälscht werden kann, und anderseits, daß die Permea­ tionsmembran trotz der Anordnung des Stützkernes in einem durchbrochenen Gehäu­ se anfällig gegenüber mechanischen Beschädigungen ist, wobei eine undichte Stelle der Permeationsmembran gegenüber der Fermentationsflüssigkeit unmittelbar zu einer Flüssigkeitsbeaufschlagung des Meßsensors und damit zu seinem Ausfall führt.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, diese Mängel zu vermeiden und eine Meßvorrichtung für einen von wenigstens zwei flüchtigen Bestandteilen einer Flüssig­ keit, insbesondere einer Fermentationsflüssigkeit, der eingangs geschilderten Art mit einfachen konstruktiven Mitteln so auszugestalten, daß die Meßverfälschungen durch die nicht zu messenden flüchtigen Bestandteile auf ein zulässiges Maß unterdrückt werden und die Gefahr eines Ausfalles des Meßsensors zufolge einer mechanischen Beschädigung der Permeationsmembran herabgesetzt wird.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß der Stützkörper einen Ver­ schlußstopfen einer Gehäuseöffnung bildet, die von der an der Stirnseite des Ver­ schlußstopfens anliegenden Permeationsmembran abgedeckt ist, und daß die Permeationsmembran aus wenigstens zwei Schichten mit unterschiedlichem Durch­ dringungswiderstand für die flüchtigen Bestandteile besteht.

Der Aufbau der Permeationsmembran aus wenigstens zwei Schichten, die gegenüber den flüchtigen Bestandteilen der Flüssigkeit einen unterschiedlichen Durchdringungs­ widerstand aufweisen, verringert die Abhängigkeit der Messung des zu bestimmenden Bestandteiles vom jeweiligen Anteil der anderen Bestandteile in überraschender Weise auf ein zulässiges Maß. Obwohl das Ergebnis der Kombinationswirkung dieser unterschiedlichen Schichten bezüglich der Sensormessung eines der Bestandteile feststeht, können keine näheren Angaben über das zu diesem Ergebnis führende Zusammenspiel der Membranschichten gemacht werden. Offensichtlich liegt ein für die einzelnen Bestandteile gegensinniger Einfluß auf die Bestandteilkonzentrationen im Trägergas vor, so daß insbesondere die Abhängigkeit der Messung von unter­ schiedlichen, sich ändernden Konzentrationen der einzelnen flüchtigen Bestandteile in der Flüssigkeit weitgehend unterbunden werden kann. Darüber hinaus bringt der Schichtaufbau der Permeationsmembran eine höhere Sicherheit gegenüber einem Eindringen der Flüssigkeit in den Trägergaskanal mit sich, weil ja bei einer mechani­ schen Beschädigung der Permeationsmembran zunächst nur die eine Schicht davon betroffen ist bzw. eine höhere mechanische Belastung zum Durchdringen der beiden Schichten notwendig wird. Dazu kommt, daß durch die Ausbildung des Stützkörpers für die Permeationsmembran als Verschlußstopfen einer Gehäuseöffnung eine einfache, kompakte Baueinheit entsteht, die sich hervorragend zur Aufnahme einer mehrschichtigen Permeationsmembran eignet, weil die einzelnen, üblicherweise durch je eine Membranhaut gebildeten Schichten der Permeationsmembran lediglich übereinandergelegt und mit Hilfe des Verschlußstopfens entlang der Gehäuseöffnung gespannt werden müssen. Die Schichten verlaufen vorzugsweise eben, schmiegen sich jedoch zufolge des Flüssigkeitsdruckes an die Stirnseite des Verschlußstopfens an, so daß ihr Verlauf von diesem Stirnflächenverlauf abhängt.

Das unterschiedliche Schichtenmaterial der Permeationsmembran ist unter Berück­ sichtigung der anfallenden flüchtigen Bestandteile der Flüssigkeit auszuwählen. Für die Überwachung einer Essiggärung, bei der zu ihrer Steuerung der Alkoholgehalt, also die Ethanolkonzentration bestimmt werden soll, die jedoch bei der Messung über die Sonde beim Einsatz lediglich einer Membranhaut durch die jeweilige Essigsäure­ konzentration verfälscht wiedergegeben wird, hat sich der Aufbau der Schichten der Permeationsmembran einerseits aus einem Silikon und anderseits aus einem Polyte­ trafluorethylen gut bewährt. Mit diesen Membranwerkstoffen konnte die Abhängigkeit der Alkoholmessung von der jeweiligen Essigsäurekonzentration auf ein für die Steuerung der Essiggärung tragbares Maß reduziert werden.

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung kann in Form eines in den Flüssigkeitsbehälter einbringbaren Gerätes ausgeführt oder am Außenmantel des Flüssigkeitsbehälters angeordnet werden, der in diesem Fall mit einer Durchtrittsöffnung zur Meßvorrich­ tung versehen werden muß. Um diese Durchtrittsöffnung im Flüssigkeitsbehälter bei Wartungs- oder Instandsetzungsarbeiten an der Meßvorrichtung flüssigkeitsdicht verschließen zu können, kann das Gehäuse auf der Seite der Gehäuseöffnung mit der Permeationsmembran auf einer Grundplatte verstellbar befestigt sein, die eine mit der Gehäuseöffnung zusammenwirkende Durchtrittsöffnung aufweist und relativ zum Gehäuse zumindest um ein dem Durchmesser der Durchtrittsöffnung in der Verstell­ richtung entsprechendes Maß verschiebbar ist. Trägt der Flüssigkeitsbehälter diese Grundplatte, so kann durch ein einfaches Verschieben des Gehäuses gegenüber dieser Grundplatte deren Durchtrittsöffnung durch das Gehäuse verschlossen werden, wobei der Verschlußstopfen außerhalb der Durchtrittsöffnung in der Grundplatte zu liegen kommt und daher auch beispielsweise für einen Membranwechsel aus dem Gehäuse entnommen werden kann, ohne einen Austritt der Behälterflüssigkeit durch das Gehäuse der Meßvorrichtung befürchten zu müssen.

Zur weiteren Verringerung der Beschädigungsgefahr für den Sensor durch in einem Schadensfall über den Trägergaskanal des Verschlußstopfens in das Gehäuse eindringende Flüssigkeit kann der Sensor oberhalb des Verschlußstopfens im Gehäu­ se angeordnet werden, so daß bei einer solchen Schadensmeldung die Meßvor­ richtung zeitgerecht abgeschaltet werden kann. Die Schadensmeldung selbst kann über einen Flüssigkeitsfühler erfolgen, der in einem vom Verschlußstopfen nach unten führenden Leitungszweig der Trägergasableitung vorgesehen ist.

Die Sensormessung eines flüchtigen Bestandteiles einer Flüssigkeit ist temperatur­ abhängig. Um eine gute Temperaturkompensation der Sensormessung sicherzustel­ len, ist die Temperatur der Flüssigkeit im unmittelbaren Bereich der Meßvorrichtung maßgebend. Um diese Forderung in einfacher Weise erfüllen zu können, ohne gesonderte Temperaturfühler im Flüssigkeitsbehälter einsetzen zu müssen, kann ein solcher Temperaturfühler zur Temperaturkompensation der Sensormessung in den Verschlußstopfen eingesetzt werden.

Obwohl sich Fermentationsvorgänge, wie z. b. eine Essiggärung, für den Einsatz erfindungsgemäßer Meßvorrichtungen anbieten, ist ihr Einsatz naturgemäß nicht auf dieses Anwendungsgebiet beschränkt und bietet sich überall dort vorteilhaft an, wo es gilt, einen von mehreren flüchtigen Bestandteilen einer Flüssigkeit unabhängig von den Konzentrationen der anderen Bestandteile quantitativ zu bestimmen.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung für einen von wenigstens zwei flüchti­ gen Bestandteilen einer Fermentationsflüssigkeit in einer stirnseitigen Ansicht bei abgehobenem Gehäusedeckel,

Fig. 2 diese Vorrichtung nach einem Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 die an einem Verschlußstopfen anliegende Permeationsmembran ausschnitts­ weise in einem Querschnitt in einem größeren Maßstab,

Fig. 4 den bei der Alkoholmessung einer Essiggärung mit einer bekannten Meßvor­ richtung auftretenden Meßfehlerverlauf in Abhängigkeit von der Essigsäure­ konzentration bei verschiedenen Alkoholkonzentrationen und

Fig. 5 eine der Fig. 4 entsprechende Darstellung des Meßfehlerverlaufes beim Einsatz einer Meßvorrichtung nach der Erfindung.

Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Meßvorrichtung weist ein mit einem abnehmbaren Deckel 1 versehenes Gehäuse 2 auf, in dem ein Sensor 3 zur Messung eines bestimmten, mit Hilfe eines Trägergases angeförderten flüchtigen Bestandteiles einer Fermentationsflüssigkeit, beispielsweise des Ethylalkohols bei einer Essiggärung, untergebracht ist. Zur Aufnahme des zu messenden flüchtigen Bestandteiles ist eine Gehäuseöffnung 4 mit einem Verschlußstopfen 5 vorgesehen, der auf seiner äußeren Stirnfläche einen von einer Permeationsmembran 6 abgedeckten Trägergaskanal 7 in Form einer Spiralnut bildet, die im Bereich ihres mittigen Eintrittsendes über eine Axialbohrung 8 mit einer Zuleitung 9 und im Bereich des äußeren Austrittsendes über eine axiale Bohrung 10 mit einer Ableitung 11 für das Trägergas verbunden ist, die zum Sensor 3 führt, von dem das mit den flüchtigen Bestandteilen beladene Träger­ gas über eine Abgasleitung 12 aus dem Gehäuse 3 abgezogen wird. Die Ableitung 11 für das Trägergas bildet dabei einen vom Verschlußstopfen 5 nach unten führen­ den Leitungszweig 11a. der mit einem Flüssigkeitsfühler 13 versehen ist, über den ein Flüssigkeitsdurchbruch durch die Permeationsmembran 6 festgestellt werden kann, um die Meßvorrichtung vor einer Beschädigung zufolge einer Flüssigkeitsbeaufschla­ gung abschalten zu können.

Die Permeationsmembran 6 besteht gemäß der Fig. 3 aus zwei je durch eine Mem­ branhaut gebildeten Schichten 6a und 6b, die zwischen einer einspringenden Ring­ schulter 14 im Bereich der Gehäuseöffnung 4 und dem Verschlußstopfen 5 flüssig­ keitsdicht eingespannt sind und sich an der äußeren Stirnseite des Verschlußstopfens gegenüber dem Druck der Fermentationsflüssigkeit abstützen, mit der die Gehäuse­ öffnung 4 beaufschlagt wird. Die Klemmkräfte zum Einspannen der Permeations­ membran 6 werden dabei durch Klemmschrauben 15 aufgebracht, die auf den Verschlußstopfen 5 übergreifende Druckstücke 16 wirken.

Wesentlich bei dem Schichtenaufbau der Permeationsmembran 6 ist, daß die einzel­ nen Schichten 6a, 6b einen gegenüber den flüchtigen Bestandteilen der anliegenden Fermentationsflüssigkeit unterschiedlichen Durchdringungswiderstand aufweisen. Zu diesem Zweck kann eine der beiden Schichten 6a, 6b aus einem Silikon und die andere aus einem Polytetrafluorethylen bestehen, was sich insbesondere im Zu­ sammenhang mit der Bestimmung der Alkoholkonzentration bei einer Essiggärung bewährt hat. Die Permeationsmembran 6 wird nämlich nicht nur vom Alkohol, sondern auch von der ebenfalls flüchtigen Essigsäure durchdrungen die den für die Bestim­ mung der Alkoholkonzentration ausgewerteten elektrischen Widerstand des Sensors 3 ebenfalls beeinflußt, so daß es zu Fehlanzeigen des Alkoholgehaltes der Fermenta­ tionsflüssigkeit kommen kann. In der Fig. 4, in der auf der Ordinate die Meßfehler in Vol.% Alkohol und auf der Abszisse der Essigsäuregehalt der Fermentationsflüssigkeit in g/100 ml aufgetragen sind, ist ein für den Einsatz einer lediglich einschichtigen Permeationsmembran typischer Meßfehlerverlauf bei verschiedenen Alkoholkonzen­ trationen dargestellt. So zeigt beispielsweise die für einen geringen Alkoholgehalt von 0,08 Vol.% aufgenommene, strichliert eingezeichnete Kurve A einen zunächst mit steigendem Essigsäuregehalt abnehmenden, negativen Meßfehler und dann einen mit dem Essigsäuregehalt zunehmenden positiven Meßfehler. Die für einen höheren Alkoholgehalt von 4.09 Vol.% bestimmte, mit einer vollen Linie dargestellt Kurve B dokumentiert einen gegensinnigen Verlauf der Meßfehler. Lediglich die strichpunktiert eingetragene Kurve C für einen mittleren Alkoholgehalt von 2,03 Vol.% spiegelt einen von der Essigsäurekonzentration unabhängigeren Meßfehlerverlauf wider. Im Ver­ gleich zu den Meßfehlerkurven A, B und C ergeben sich beim Einsatz zweischichtiger Permeationsmembrane mit einer Membranhaut aus einem Silikon und einer Mem­ branhaut aus Polytetrafluorethylen erheblich geringere Meßfehler bei sonst überein­ stimmenden Meßbedingungen, wie dies der Fig. 5 entnommen werden kann, in der die Kurven a, b und c den Kurven A, B und C der Fig. 4 entsprechen.

Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Meßvorrichtung auf dem Mantel 17 eines Fermentationsbehälters aufgesetzt, und zwar über eine als Anschlußplatte dienende Grundplatte 18, die eine Durchtrittsöffnung 19 für den Flüssigkeitsdurchtritt vom Fermentationsbehälter zu der die Gehäuseöffnung 4 abdeckenden Permea­ tionsmembran 6 aufweist. Durch in Langlöcher 20 eingreifende Befestigungsschrau­ ben 21 ist das Gehäuse 2 der Meßvorrichtung gegenüber der Grundplatte 18 ver­ schiebbar geführt, so daß das Gehäuse bei gelockerten Befestigungsschrauben 21 verschoben werden kann, bis das Gehäuse 2 die Durchtrittsöffnung 19 in der Grund­ platte 18 verschließt und der Verschlußstopfen 5 aus dem Gehäuse 2 genommen werden kann, ohne einen Flüssigkeitsaustritt aus dem Fermentationsbehälter befürch­ ten zu müssen.

Da der Anfall an flüchtigen Bestandteilen aus der Fermentationsflüssigkeit von der Flüssigkeitstemperatur abhängt, ist zur Temperaturkompensation der Messung die Flüssigkeitstemperatur möglichst im Bereich der Permeationsmembran zu erfassen. Zu diesem Zweck kann ein Temperaturfühler 22 vorteilhaft in den Verschlußstopfen 5 eingesetzt werden, der die Flüssigkeitstemperatur annimmt.

Claims (6)

1. Meßvorrichtung für einen von wenigstens zwei flüchtigen Bestandteilen einer Flüssigkeit, insbesondere einer Permentationsflüssigkeit, mit einem Gehäuse, einem im Gehäuse angeordneten Sensor zum Messen des einen Bestandteiles und mit einer an einem Stützkörper anliegenden Permeationsmembran, die einen ihr gegen­ über offenen, im Stützkörper vorgesehenen Trägergaskanal gegenüber der Flüssigkeit abdeckt, wobei der Trägergaskanal an eine Trägergaszuleitung angeschlossen und über eine Trägergasableitung mit dem Sensor verbunden ist, dadurch gekennzeich­ net, daß der Stützkörper einen Verschlußstopfen (5) einer Gehäuseöffnung (4) bildet, die von der an der einen Stirnseite des Verschlußstopfens (5) anliegenden Permea­ tionsmembran (6) abgedeckt ist, und daß die Permeationsmembran (6) aus wenig­ stens zwei Schichten (6a, 6b) mit unterschiedlichem Durchdringungswiderstand für die flüchtigen Bestandteile besteht.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (6a, 6b) der Permeationsmembran (6) einerseits aus einem Silikon und anderseits aus einem Polytetrafluorethylen bestehen.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) auf der Seite der Gehäuseöffnung (4) mit der Permeationsmembran (6) auf einer Grundplatte (18) verstellbar befestigt ist, die eine mit der Gehäuseöffnung (4) zusammenwirkende Durchtrittsöffnung (19) aufweist und relativ zum Gehäuse (2) zumindest um ein dem Durchmesser der Durchtrittsöffnung (19) in der Verstellrichtung entsprechendes Maß verschiebbar ist.

4. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (3) oberhalb des Verschlußstopfens (5) im Gehäuse (2) angeordnet ist.

5. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägergasableitung (11) einen vom Verschlußstopfen (5) nach unten führen­ den Leitungszweig (11a) mit einem Flüssigkeitsfühler (13) aufweist.

6. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Verschlußstopfen (5) ein Temperaturfühler (22) zur Temperaturkompensa­ tion der Sensormessung eingesetzt ist.