DE19614764C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von unterschiedlichen Stoffkonzentrationen einer komplexen Flüssigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von der Gattung des Hauptan­ spruchs und des nebengeordneten Anspruchs.

Aus der DE-AS 14 98 622 ist ein Verfahren zur Bestim­ mung des Gehalts von Milchfeststoffen und/oder Fett- bzw. Ölteilchen in Milch oder einem Milchprodukt be­ kannt, bei der die Schallgeschwindigkeit bei einer charakteristischen Temperatur in der Milch bzw. dem Milchprodukt, bei der die Schallgeschwindigkeit in reinem Wasser gleich derjenigen in dem reinen Fett oder Öl ist, und/oder der Differenzquotient aus Schallgeschwindigkeit und Temperatur bei einer vor­ gegebenen Temperatur gemessen werden. Aus Kennlinien der Schallgeschwindigkeit über die Temperatur in der Milch bzw. dem Milchprodukt, die für unterschiedliche Milchfeststoffe (SNF) und Fettgehalte bekannt sind, können die verschiedenen Konzentrationen in der Milch bzw. dem Milchprodukt bestimmt werden.

Eine ähnliche Vorgehensweise ist bei anderen flüssigen Mehrstoffsystemen bekannt. Um die temperaturabhängigen akustischen Eigenschaften eines solchen flüssigen Mehr­ stoffsystems auszuwerten, ist es derzeit üblich, eine akustische Meßeinrichtung einzusetzen, wobei das zu untersuchende Medium mit Hilfe eines Laborthermostats durch sequentielle Einstellung mehrerer Temperaturfix­ punkte in oft zeitlich langer Folge temperiert wird. Dabei kommt es häufig vor, daß sich das Medium während der Temperierung/Messung in seiner Konsistenz verän­ dert, wodurch sogenannte Hystereseeffekte auftreten und eine genaue Bestimmung der Konzentration schwierig wird.

Aus der DE 44 37 684 A1 ist eine Vorrichtung zur Mes­ sung der Konzentration einer sich in einem Behälter befindenden und zeitlich stofflich verändernden Flüs­ sigkeit, zum Beispiel gärende Würze bei der Bierher­ stellung bekannt, bei der an der Behälterwand ein Ul­ traschallsender/-empfänger mit einstellbarer Sendefre­ quenz und ein Temperatursensor angebracht ist. Die zeitliche Verzögerung zwischen Abstrahlen und Empfangen eines Ultraschallimpulses wird anhand von Dichte/Lauf­ zeit-Tabellen bzw. Kurven ausgewertet. Die Veröffentli­ chung "Ultrasonic spectrometry of liquids below 1 MHz" R. Behrends et al., Ultrasonics 34 (1996), S. 59-67, beschreibt eine Meßeinrichtung für die Schallgeschwin­ digkeit, bei der ein thermostatisiertes ringförmiges Gehäuse, in der die Meßflüssigkeit aufgenommen ist, an seinen Stirnflächen jeweils mit einem piezoelektrischen Ultraschallwandler und -empfänger abgeschlossen ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von un­ terschiedlichen Stoffkonzentrationen einer komplexen Flüssigkeit zu schaffen, bei denen akustische Stoff­ kenngrößen bei unterschiedlichen Temperaturen in kurzer Zeit gemessen werden können, damit sich die Flüssigkeit nicht in ihrer Konsistenz verändern kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Hauptanspruchs sowie des Nebenan­ spruchs in Verbindung mit ihren Merkmalen des Oberbe­ griffs gelöst.

Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die komplexe Flüssigkeit in einem Gefäß, vorzugsweise einem säulen­ förmigen Gefäß, aufgenommen wird und die Temperatur der Flüssigkeit mittels Heiz- bzw. Kühlvorricht­ tungen so eingestellt wird, daß ein in senkrechter Richtung des Gefäßes lineares und stationäres Tempe­ raturfeld entsteht und die akustischen Stoffkenngrö­ ßen mittels in unterschiedlichen Temperaturebenen am Gefäß angeordneten Schallwandlern gemessen werden, können gleichzeitig bzw. in kurzer Folge die akusti­ schen Stoffkenngrößen der angeschlossenen Flüssigkeit gemessen werden, so daß sich die Konsistenz der Flüs­ sigkeit nicht verändern kann.

Da eine Vielzahl von Flüssigkeiten gerade eine Signi­ fikanz hinsichtlich der Temperaturabhängigkeit von akustischen Stoffkenngrößen und Stoffkonzentrationen besitzen (Fett-Wasser-Emulsionen), kann mit der vor­ geschlagenen Lösung ein schnelles, transportables Analysesystem für komplexe Flüssigkeitsgemische rea­ lisiert werden, welches eine direkte Konzentrations­ messung und gegebenenfalls auch eine Dichtemessung ermöglicht. Darüber hinaus kann diese Meßeinrichtung im Laborbereich zur schnellen und zuverlässigen Cha­ rakterisierung des temperaturabhängigen akustischen Verhaltens noch unbekannter flüssiger Stoffsysteme genutzt werden. Die Meßeinrichtung erlaubt eine schnelle und vorteilhafte Analyse biologisch-aktiver bzw. zeitlich schnell veränderlicher flüssiger Stoff­ systeme. Anwendungsbereiche für die erfindungsgemäße Vorrichtung ergeben sich insbesondere bei der Bio­ technologie und Lebensmitteltechnologie, aber auch in der chemischen Industrie.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahme sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß aufgrund der Temperierung in der Weise, daß die Temperatur vom unteren Abschluß bis zum oberen Abschluß des Gefäßes in senkrechter Richtung gesehen zunimmt, eine Konvek­ tion der Flüssigkeit weitgehend vermieden wird, so daß in den unterschiedlichen Temperaturebenen genaue Messungen durchgeführt werden können. Nach einer Ka­ librierung kann auch auf die Temperaturmessung unmit­ telbar in den Schallwandlerebenen selbst verzichtet werden.

Besonders vorteilhaft ist, daß das Gefäß selbst als zylindrische Piezokeramik ausgebildet ist, die eine durchgehende Innenelektrode und mehrere auf der Au­ ßenfläche der Piezokeramik in unterschiedlichen Tem­ peraturebenen angebrachte ringförmige Außenelektroden aufweist. Dadurch werden jeweils in unterschiedlichen Temperaturebenen sehr schmal wirksame akustische Meß­ einrichtungen erhalten, die eine Erfassung von Schallgeschwindigkeit und/oder Schallabsorption/aku­ stische Impedanz temperaturabhängig, aber gleichzei­ tig, ermöglichen. Da die Meßeinrichtung geometrisch kleine Abmessungen hat, ist es möglich, eine ein­ fache Analyseneinrichtung zu realisieren, die eine Charakterisierung komplexer Flüssigkeiten vor Ort erlaubt. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Vor­ richtung für die schnelle Analyse in der Konsistenz leicht veränderlicher Flüssigkeiten (biologisch-akti­ ve Medien, zeitvariante Stoffsysteme) geeignet, da die zeitaufwendige sequentielle Einstellung von Tem­ peraturfixpunkten entfällt. Der Einsatz von ringför­ migen Schallwandlern ist insbesondere hinsichtlich der guten Auswertbarkeit der Sensorsignale mit großen Signalamplituden und einer leichten technologischen Fertigung aufgrund des rotationssymmetrischen Aufbaus von Vorteil.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt den Aufbau einer bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der Vorrichtung verwendeten Meßzelle.

Die Meßzelle 1 besteht aus einem Gefäß in Form einer zylindrischen Piezokeramik 2 und aus einem oberen Abschluß 3 und einem unteren Abschluß 4. An oder in dem oberen Abschluß 3 ist eine Heizung und an oder in dem unteren Abschluß 4 ist eine Kühlung angebracht, wobei Heizung bzw. Kühlung als Peltier-Elemente aus­ gebildet sein können.

Die zylindrische Piezokeramik 2 ist von einer Wärmei­ solierung 5 zum Beispiel einem festen Isolierstoff oder Vakuum umgeben, die die Meßzelle thermisch isoliert. Die zu untersuchende Flüssigkeit 6 wird in dem Kera­ mikzylinder 2 mit den festen Abschlüssen 3, 4 einge­ schlossen.

An dem Gefäß 1 sind in senkrechter Richtung gesehen im Ausführungsbeispiel drei Schallsensoren bzw. Schallwandler 7 mit Abstand angebracht, die im Aus­ führungsbeispiel als auf der Außenfläche der zylin­ drischen Piezokeramik 2 angeordnete Außenelektroden und als auf der Innenfläche angebrachte durchgehende Innenelektrode ausgebildet sind.

Die Schallwandler 7 sind mit einer nicht dargestell­ ten Auswerteeinrichtung verbunden, die die Schall­ wandlersignale hinsichtlich ihrer akustischen Stoff­ kenngrößen in bezug auf Schallgeschwindigkeit, Schallabsorption und/oder akustischer Impedanz und hinsichtlich der Stoffkonzentration abhängig von die­ sen Größen auswertet. Mindestens an dem oberen und an dem unteren Abschluß 3, 4 sind Temperatursensoren angeordnet, die die Oberflächentemperatur der Peltier-Elemente mißt und gegebenenfalls elektrisch steuert. Zusätzlich können in der Ebene der Schall­ wandler 7 Temperatursensoren vorgesehen sein, die mit der Auswerteeinrichtung verbunden sind und die die Temperatur in den unterschiedlichen Schallwandlerebe­ nen messen.

Die zu untersuchende Flüssigkeit wird in das Gefäß 1 eingefüllt und eingeschlossen. Ausgehend von der Aus­ gangstemperatur der zu untersuchenden Flüssigkeit 6 wird im Inneren des Zylinders über die Peltier-Ele­ mente im oberen und im unteren Abschluß 3, 4 in kür­ zester Zeit ein nahezu lineares Temperaturfeld aufge­ baut, wobei die Temperatur von unten nach oben zu­ nimmt. Dadurch wird eine Konvektion in der Flüssig­ keit vermieden. Der Wärmeaustausch erfolgt weitestge­ hend nur über Wärmeleitung. Wesentlich ist dabei, daß das Temperaturfeld stationär ist. Durch die Erwärmung in dem oberen Teil des Piezozylinders 2 und der Ab­ kühlung im unteren Teil wird eine Volumenänderung der Flüssigkeit 6 im wesentlichen vermieden. Die Aus­ werteeinrichtung steuert nun die Schallwandler 7 an, die ein Schallsignal aussenden und aufgrund ihrer ringförmigen Anordnung das Schallsignal mit gutem Wirkungsgrad empfangen. Gleichzeitig wird über die Temperatursensoren die Temperatur gemessen oder die Auswerteeinrichtung bestimmt die Temperatur in Höhe der unterschiedlichen Schallwandler 7 aufgrund der an den Peltier-Elementen gemessenen Temperatur und der Kalibrierung bzw. der Annahme eines linearen Tempera­ turfeldes. Die Auswerteeinrichtung kann nun aufgrund der physikalischen Zusammenhänge und der Abmessungen der Meßzelle die Schallgeschwindigkeit und/oder Schallabsorption und/oder die akustische Impedanz temperaturabhängig berechnen, womit gegebenenfalls unter Heranziehung von Vergleichsmessungen und/oder bekannten Kennlinien die Stoffkonzentrationen be­ stimmt werden. Insbesondere im Falle einer Vielzahl von Schallwandlern 7 kann die Schallmessung in den einzelnen Temperaturebenen in kurzer Folge nachein­ ander vorgenommen werden, wodurch eine Beeinflussung der Schallfelder untereinander ausgeschlossen wird.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind in be­ sonders vorteilhafter Weise ringförmige Schallwandler vorgesehen, selbstverständlich können andere bezüg­ lich des Schallfeldes schmal wirksame akustische Meß­ einrichtungen im Durchschallungsbetrieb, bestehend aus Schallsender und -empfänger oder im Impuls-Echo-Betrieb, bestehend aus Schallsender-Empfänger und Reflektor verwendet werden. Dabei können auch quader­ förmige Gefäße vorgesehen werden, bei denen die Be­ standteile der akustischen Meßeinrichtung gegenüber­ liegend angebracht sind. Bei Verwendung von Quarzglas als Gefäß ist die extrem geringe Wärmeleitfähigkeit der Vorlaufstrecke von Vorteil, so daß der unmittel­ bare Temperatureinfluß auf die Schallwandler außer­ ordentlich gering bleibt.

Auch sind andere Varianten zur Temperierung der Flüs­ sigkeit denkbar, zum Beispiel die Einstellung zweier unterschiedlicher Temperaturen, die über der Umge­ bungstemperatur liegen. Auch unterschiedliche geräte­ technische Realisierungen für die Temperiereinrich­ tung können genutzt werden, zum Beispiel Mikrowelle, Induktionsschleife, Thermostatisierung mit Hilfe von flüssigen Medien oder andere.

Zur Komplettierung der Meßzelle können weitere Senso­ ren in den Temperaturebenen bzw. in deren unmittel­ baren Umgebungen vorgesehen werden, zum Beispiel zur Erfassung optischer Eigenschaften (Transparenz, Re­ flexionseigenschaften, Fluoreszenz u. a.), elektri­ scher Eigenschaften (DK, Leitfähigkeit) oder anderer physikalischer Größen.

Claims (14)

1. Verfahren zur Bestimmung von unterschiedlichen Stoffkonzentrationen einer komplexen Flüssig­ keit, bei dem abhängig von der Temperatur aku­ stische Stoffkenngrößen gemessen werden und mit­ tels allgemein bekannter physikalischer Zusam­ menhänge zwischen Temperatur, akustischer Stoff­ kenngröße und Stoffkonzentration die Stoffkon­ zentrationen bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die komplexe Flüssigkeit in einen abge­ schlossenen Raum eingeschlossen wird, in dem ein in senkrechter Richtung im wesentlichen lineares und stationäres Temperaturfeld eingestellt wird und daß die akustischen Stoffkenngrößen in un­ terschiedlichen Temperaturebenen gemessen wer­ den, wobei deren Temperatur erfaßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die eingeschlossene Flüssigkeit derart beheizt und/oder gekühlt wird, daß in senkrech­ ter Richtung gesehen die Temperatur von oben nach unten abnimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die eingeschlossene Flüssig­ keit nach außen thermisch isoliert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die akustischen Stoff­ kenngrößen in den unterschiedlichen Temperatur­ ebenen gleichzeitig oder kurz aufeinanderfolgend gemessen werden.

5. Vorrichtung zur Bestimmung von unterschiedlichen Stoffkonzentrationen einer komplexen Flüssigkeit mit einer Schallwandleranordnung zur Messung von akustischen Stoffkenngrößen und einer Tempera­ turerfassungseinrichtung zum Erfassen der Tempe­ ratur der Flüssigkeit sowie einer Auswerteein­ richtung zum Bestimmen der Stoffkonzentrationen abhängig von den Signalen der Schallwandleran­ ordnung und der Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit in einem Gefäß (1) aufgenom­ men ist, das allseitig abgeschlossen ist, daß eine Heiz- und/oder Kühlvorrichtung zur Herstel­ lung eines im wesentlichen linearen und statio­ nären Temperaturfeldes in senkrechter Richtung des Gefäßes (1) vorgesehen ist und daß die Schallwandleranordnung mindestens zwei an dem Gefäß (1) in senkrechter Richtung übereinander angeordnete Schallwandler (7) bzw. Schallwand­ lerpaare aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gefäß (1) zylinder- oder säu­ lenförmig mit oberem und unterem Abschluß (3, 4) ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Heiz- und/oder Kühlvor­ richtung mit dem oberen und dem unteren Abschluß (3, 4) verbunden ist und eine von unten nach oben zunehmende Temperatur in der Flüssigkeit ein­ stellt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß (1) von einer thermischen Isolierung (5) umgeben ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens im oberen und unteren Bereich des Gefäßes Temperatursen­ soren angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Temperatursensoren in den unterschiedlichen Temperaturebenen der Schallwandler angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwandler (7) ringförmig ausgebildet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß (1) als zylindrische Piezokeramik (2) ausgebildet ist, wobei die Schallwandler (7) von einer durchge­ henden Innenelektrode auf der Innenwand der zy­ lindrischen Piezokeramik (2) und mehreren hori­ zontal segmentierten Außenelektroden auf ihrer Außenfläche gebildet sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwandler jeweils aus sich gegenüberliegenden Schallsender und Schallempfänger oder aus sich gegenüberlie­ genden Schallsender-Empfänger und Reflektor be­ stehen.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Heiz- und/oder Kühlvorrichtung Peltier-Elemente aufweist.