DE19619795A1

DE19619795A1 - Determining method for concentration of substances in mixtures, e.g. for automobile industry

Info

Publication number: DE19619795A1
Application number: DE1996119795
Authority: DE
Inventors: Hans-Dieter Lies; Aleksandar Knezevic
Original assignee: LIES HANS DIETER
Current assignee: LIES HANS DIETER
Priority date: 1996-05-15
Filing date: 1996-05-15
Publication date: 1997-11-20

Abstract

The method for determining the concn. includes an electric conductor designed as a coil (1), acted on with AC voltage and is inserted in the mixture. The losses occurring in the coil due to the reaction of the mixture directly surrounding the coil are determined, or a variable is determined indicating these losses. The dielectric losses and/or eddy current losses and/or consequential losses and/or radiation losses and/or ohmic losses are determined. The impedance of the electric conductor, esp. the resistance loss and/or the inductance of the electric conductor is determined.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung von Substanzen in Gemischen.The present invention relates to a method and a Device for determining the concentration of substances in Mixtures.

Die Konzentrationsbestimmung von Substanzen in Gemischen wird beispielsweise in der Automobilindustrie zur Bestimmung der Konzentration von Wasser in Bremsflüssigkeit benötigt. Die maximal zulässige Konzentration von Wasser in Bremsflüs sigkeit liegt beispielsweise bei ca. 3%. Da abhängig von der Menge des in der Bremsflüssigkeit vorhandenen Wassers der Siedepunkt des aus Wasser und Bremsflüssigkeit bestehenden Gemischs sinkt, können bei einem zu hohen Wasseranteil bei länger andauernden Bremsvorgängen Dampfblasen innerhalb der Bremsflüssigkeit entstehen, so daß die Kompressibilität der Bremsflüssigkeit zunimmt. Dies kann zu einem verspäteten An sprechen der Bremsen und im schlimmsten Fall zu einem völli gen Ausfall der Bremsanlage führen.The determination of the concentration of substances in mixtures is used, for example, in the automotive industry the concentration of water in brake fluid. The maximum permissible concentration of water in brake rivers liquid is around 3%, for example. Because depending on the Amount of water present in the brake fluid Boiling point of the water and brake fluid If the mixture drops, the water content may be too high longer braking vapors within the Brake fluid arise so that the compressibility of the Brake fluid increases. This can lead to a late arrival speak of the brakes and in the worst case to a total cause the brake system to fail.

Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Bestimmung von Wasser in Frostschutzmitteln, wie sie beispielsweise in Heizungsan lagen oder in Kühlsystemen von Kraftfahrzeugen verwendet werden. Steigt bei diesem Gemisch der Anteil des Wassers, so steigt gleichzeitig der Gefrierpunkt des Gemischs, so daß ein Einfrieren bei relativ hohen Temperaturen und damit eine Beschädigung der Anlage möglich ist. Sinkt der Anteil des Wassers unter einen bestimmten Prozentsatz, so ist auch dies nachteilig, da zum einen Frostschutzmittel relativ teuer und umweltbelastend sind und zum anderen unterhalb eines bestimm ten Wasseranteils sogar eine Verschlechterung der Frost schutzeigenschaft eintritt.Another area of application is the determination of water in antifreeze, such as in heating systems lay or used in cooling systems of motor vehicles will. If the proportion of water increases with this mixture, then at the same time the freezing point of the mixture rises, so that freezing at relatively high temperatures and thus a Damage to the system is possible. If the proportion of Water below a certain percentage, this is also the case disadvantageous because, on the one hand, antifreeze is relatively expensive and are environmentally harmful and on the other hand below a certain water content even worsens the frost protective property entry.

Da in vielen Fällen eine Entnahme des Gemischs aus der jewei ligen Anlage sehr umständlich ist und darüber hinaus in sicherheitskritischen Anwendungen eine ständige Überwachung der Gemischzusammensetzung wünschenswert bzw. erforderlich ist, ist in vielen Fällen eine externe Analyse des Gemischs, beispielsweise in einem Labor nicht praktikabel.Since in many cases the mixture is removed from the respective plant is very cumbersome and moreover in permanent monitoring of safety-critical applications the mixture composition desirable or necessary is in many cases an external analysis of the mixture, for example not practical in a laboratory.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Konzentrationsbestimmung von Substanzen in Gemischen anzugeben, das kostengünstig und einfach anwendbar und auch während des Betriebs einer mit dem Gemisch gefüll ten Anlage einsetzbar ist. Weiterhin soll eine Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung von Substanzen in Gemischen an gegeben werden, die einfach und kostengünstig herstellbar ist und insbesondere zur kontinuierlichen Konzentrationsbe stimmung geeignet ist.The present invention is therefore based on the object a method for determining the concentration of substances in Specify mixtures that are inexpensive and easy to use and also filled with the mixture during operation system can be used. A device is also intended for determining the concentration of substances in mixtures are given that can be produced easily and inexpensively is and in particular for continuous concentration mood is suitable.

Der das Verfahren betreffende Teil wird erfindungsgemäß da durch gelöst, daß zumindest ein mit Wechselspannung beauf schlagter elektrischer Leiter in das Gemisch eingebracht wird und daß die in dem elektrischen Leiter aufgrund der Ein wirkung des den elektrischen Leiter unmittelbar umgebenden Gemischs auftretenden Verluste oder eine diese Verluste kenn zeichnende Größe ermittelt werden.The part relating to the method is there according to the invention solved by that at least one with alternating voltage struck electrical conductor introduced into the mixture and that in the electrical conductor due to the one effect of the immediate surrounding the electrical conductor Losses occurring in a mixture or one of these losses drawing size can be determined.

Eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung umfaßt zumin dest einen mit Wechselspannung beaufschlagten elektrischen Leiter, der zum Einbringen in das Gemisch ausgebildet ist, sowie eine Auswerteschaltung zur Ermittlung der in dem elek trischen Leiter auftretenden Verluste, die bei in dem Ge misch angeordnetem elektrischen Leiter aufgrund der Einwir kung des den elektrischen Leiter unmittelbar umgebenden Ge mischs auftreten, oder einer diese Verluste kennzeichnenden Größe.A device designed according to the invention comprises at least least an electrical one charged with alternating voltage Conductor which is designed to be introduced into the mixture, and an evaluation circuit for determining the in the elek tric conductor losses that occur in the Ge mixed electrical conductor due to the action kung of the Ge immediately surrounding the electrical conductor mixed occur, or one of these losses characterizing Size.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß die in einem mit Wechselspannung beaufschlagten elektrischen Leiter auf tretenden Verluste abhängig von Eigenschaften des den elek trischen Leiter unmittelbar umgebenden Mediums sind. Dabei ist wesentlich, daß das umgebende Medium zumindest nahezu unmittelbar an den elektrischen Leiter angrenzt, da bereits bei einem geringen Abstand zwischen dem elektrischen Leiter und dem zu untersuchenden Medium die im Leiter auftretenden Verluste so stark zurückgehen, daß sie nicht mehr erfaßbar sind, so daß eine Auswertung der Verluste in Form einer Konzentrationsbestimmung nicht mehr möglich ist. Dies liegt daran, daß die Verluste mit zunehmendem Abstand zwischen dem Leiter und dem Medium abnehmen.The invention is based on the knowledge that the one electrical conductor charged with alternating voltage occurring losses depending on properties of the elec tric conductor are immediately surrounding medium. Here it is essential that the surrounding medium at least almost directly adjacent to the electrical conductor, since already with a small distance between the electrical conductor and the medium to be examined, those that occur in the conductor Losses decrease so much that they can no longer be recorded are, so that an evaluation of the losses in the form of a It is no longer possible to determine the concentration. This is because that the losses with increasing distance between the Remove the conductor and the medium.

Der Leiter wird dabei bevorzugt im induktiven Bereich betrie ben, in dem er einen Verlustwiderstand besitzt, der sowohl von der Ausbildung des verwendeten Leiters als auch von der Frequenz der angelegten Wechselspannung abhängig ist. Somit kann durch die Wahl eines geeigneten Leiters bzw. der Fre quenz die Größe der auftretenden Verluste beeinflußt werden.The conductor is preferably operated in the inductive range ben in which he has a loss resistance that both from the training of the conductor used as well as from the Frequency of the applied AC voltage is dependent. Consequently can be selected by choosing a suitable conductor or Fre quenz the size of the occurring losses are influenced.

Bei den ermittelten Verlusten handelt es sich bevorzugt um dielektrische Verluste und/oder Wirbelstromverluste und/oder Nachlaufverluste und/oder Abstrahlungsverluste und/oder um ohmsche Verluste. Diese üblicherweise nachteiligen Verluste stellen überraschenderweise ein Maß für die Konzentration von Substanzen in Gemischen dar und können erfindungsgemäß zur Konzentrationsbestimmung ausgewertet werden.The losses determined are preferably dielectric losses and / or eddy current losses and / or Caster losses and / or radiation losses and / or around ohmic losses. These are usually disadvantageous losses surprisingly represent a measure of concentration of substances in mixtures and can according to the invention be evaluated to determine the concentration.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Impedanz des elektrischen Leiters, insbesondere der Ver lustwiderstand und/oder die Induktivität des elektrischen Leiters bestimmt. Es wurde festgestellt, daß sowohl der Ver lustwiderstand als auch die Induktivität eines beispiels weise in ein Flüssigkeitsgemisch eingetauchten elektrischen Leiters aufgrund der durch das Gemisch im elektrischen Lei ter entstehenden Verluste ansteigen, so daß sowohl durch eine Impedanzbestimmung als auch durch eine separate Bestim mung des Verlustwiderstands oder der Induktivität des elek trischen Leiters die Konzentration von bestimmten Substanzen in Gemischen ermittelt werden kann.According to an advantageous embodiment of the invention the impedance of the electrical conductor, in particular the Ver lust resistance and / or the inductance of the electrical Head determined. It was found that both Ver lust resistance as well as the inductance of an example wise electrical immersed in a liquid mixture Conductor due to the mixture in the electrical Lei ter arising losses increase, so that both by an impedance determination as well as a separate determination the loss resistance or inductance of the elec tric conductor the concentration of certain substances can be determined in mixtures.

Dabei ist es zum einen möglich, Absolutwerte der Impedanz, des Verlustwiderstands oder der Induktivität zu bestimmen und beispielsweise aus vorherbestimmten Tabellen direkt die Konzentration einer bestimmten Substanz in einem bestimmten Gemisch zu ermitteln. Zum anderen ist auch eine Bestimmung von Änderungen der Impedanz, des Verlustwiderstands oder der Induktivität des elektrischen Leiters entweder jeweils gegen über einem Referenzwert, der beispielsweise dem jeweiligen Wert vor dem Einbringen des elektrischen Leiters in das Gemisch entspricht, oder gegenüber einem in einem vorherigen Verfahrensschritt bestimmten Wert möglich, wenn beispielswei se lediglich die Änderung der Konzentration einer Substanz in einem Gemisch von Interesse ist.On the one hand, it is possible to determine absolute values of the impedance, the loss resistance or inductance and for example directly from predefined tables Concentration of a certain substance in a certain Determine mixture. On the other hand there is also a determination of changes in impedance, loss resistance or Inductance of the electrical conductor either against each other above a reference value, for example the respective Value before inserting the electrical conductor into the Mixture corresponds, or compared to one in a previous one Method step certain value possible if, for example se only the change in the concentration of a substance is of interest in a mixture.

Grundsätzlich ist die Bestimmung der Impedanz über jede zur Impedanzmessung geeignete Schaltung möglich.Basically, the impedance is determined via each Circuit suitable for impedance measurement possible.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Impedanz bzw. die Änderungen der Impedanz des elektri schen Leiters über eine Widerstandsmeßbrücke ermittelt. Auf diese Weise ist eine sehr einfache Ausgestaltung einer ent sprechenden Auswerteschaltung möglich, da standardisierte Schaltungen verwendbar sind.According to a preferred embodiment of the invention the impedance or changes in the impedance of the electri conductor determined via a resistance measuring bridge. On this is a very simple design of an ent speaking evaluation circuit possible, because standardized Circuits can be used.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der elektrische Leiter Teil eines Schwingkreises, bei dem die aufgrund der vorhandenen Verluste auftretenden Änderungen der Resonanzfrequenz bzw. die aufgrund der vorhandenen Ver luste geänderte Resonanzfrequenz des Schwingkreises ermit telt werden. Da durch das Einbringen in das zu untersuchende Gemisch bzw. durch eine Konzentrationsänderung der in dem Gemisch vorhandenen Substanz eine Impedanzänderung des in dem Gemisch angeordneten elektrischen Leiters auftritt, än dert sich auch die Resonanzfrequenz des den elektrischen Leiter umfassenden Schwingkreises. Somit kann aufgrund der Änderung der Resonanzfrequenz bzw. aus der geänderten Reso nanzfrequenz des Schwingkreises anhand vorgegebener Tabellen bzw. durch Vergleich mit vorher bestimmten Werten die Konzen tration der gewünschten Substanz in dem Gemisch ermittelt werden.According to a further advantageous embodiment, the electrical conductor Part of a resonant circuit in which the changes occurring due to existing losses the resonance frequency or due to the existing Ver changes the resonance frequency of the resonant circuit be communicated. Because by introducing it into the one to be examined Mixture or by a change in concentration in the Mixture present an impedance change in the electrical conductor arranged in the mixture occurs, än also changes the resonance frequency of the electrical Head of comprehensive resonant circuit. Thus, due to the Change in the resonance frequency or from the changed resonance frequency of the resonant circuit based on specified tables or by comparing them with previously determined values tration of the desired substance in the mixture will.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform umfaßt der Schwing kreis ein frequenzbestimmendes Glied insbesonderer hoher Güte, insbesondere einen Quarz, der ein sehr stabiles, schmalbandiges und frequenzbestimmendes Glied des Schwing kreises darstellt und mit dem elektrischen Leiter beispiels weise in Serie geschaltet ist. Nach Einbringung des elektri schen Leiters in das zu untersuchende Gemisch bzw. bei einer Änderung der Zusammensetzung des zu untersuchenden Gemischs bei bereits in dem Gemisch angeordnetem elektrischen Leiter, ändern sich die Anpassungsverhältnisse zwischen dem Quarz und dem Leiter einerseits und der Schaltungseingangsimpedanz einer angeschlossenen Resonatorschaltung andererseits, wo durch eine Schwingfrequenzverschiebung erzeugt wird. Diese Frequenzverschiebung kann als Maß für die Konzentration der gewünschten Substanz in dem zu untersuchenden Gemisch ver wendet werden.According to an advantageous embodiment, the oscillation comprises circle a frequency-determining link, in particular a higher one Goodness, especially a quartz, which is a very stable, narrow-band and frequency-determining link of the oscillation represents circle and with the electrical conductor for example is connected in series. After the electri between the conductor and the mixture to be investigated or at a Change in the composition of the mixture to be examined with an electrical conductor already arranged in the mixture, the relationship between the quartz changes and the conductor on the one hand and the circuit input impedance a connected resonator circuit on the other hand, where is generated by an oscillation frequency shift. This Frequency shift can be used as a measure of the concentration of the ver desired substance in the mixture to be examined be applied.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfin dung wird der elektrische Leiter als elektromagnetischer Sen der betrieben, wobei ein weiterer elektrischer Leiter als elektromagnetischer Empfänger insbesondere zusammen mit dem elektrischen Leiter in das Gemisch eingebracht und die durch die in dem Sender und/oder in dem Empfänger auftretenden Ver luste bewirkte Dämpfung des im Empfänger wirkenden elektro magnetischen Feldes ermittelt wird. Sender und Empfänger können dabei als Antennen-Paar, beispielsweise in Form von zwei nebeneinander angeordneten Streifenleitern, als Richt koppler oder als insbesondere einen gemeinsamen ferromagneti schen Kern besitzendes Spulenpaar ausgebildet sein.According to a further preferred embodiment of the inven The electrical conductor is used as an electromagnetic sensor who operated, with another electrical conductor as electromagnetic receiver in particular together with the electrical conductor introduced into the mixture and through the ver occurring in the transmitter and / or in the receiver loss caused damping of the electro acting in the receiver magnetic field is determined. Sender and receiver can be a pair of antennas, for example in the form of two strip conductors arranged side by side as a guide coupler or as in particular a common ferromagneti the core having a pair of coils.

Auch bei dieser Ausführungsform sind nicht die bei der Über tragung in dem Gemisch entstehenden Verluste entscheidend, sondern die Verluste im Sender und/oder im Empfänger, so daß beispielsweise die Sende- und Empfangselemente extrem nahe zusammengerückt werden können, so daß die zwischen dem Sender und dem Empfänger auftretenden Übertragungsverluste im Gemisch vernachlässigt werden können.Also in this embodiment are not those in the over losses occurring in the mixture are decisive, but the losses in the transmitter and / or in the receiver, so that for example, the transmitting and receiving elements are extremely close can be moved together so that the between the Transmitter and the transmission loss occurring to the receiver can be neglected in the mixture.

Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung nicht nur zur Kon zentrationsbestimmung einer Flüssigkeit in einem Flüssig keitsgemisch, sondern auch zu einer Konzentrationsbestimmung eines Gases in einem Gas-, Flüssigkeits- oder Festkörperge misch, eines beispielsweise in Pulverform vorliegenden Fest körpers in einem entsprechenden Festkörper-, Flüssigkeits- oder Gasgemisch oder einer Flüssigkeit in einem Gas- oder Festkörpergemisch verwendet werden.In principle, the method according to the invention or the device designed according to the invention not only for con determination of the concentration of a liquid in a liquid mixture, but also to determine the concentration a gas in a gas, liquid or solid body mixed, a solid present for example in powder form body in a corresponding solid, liquid or Gas mixture or a liquid in a gas or Solid state mixture can be used.

Insbesondere zur Konzentrationsbestimmung eines Gases in einem Gasgemisch ist nach einer weiteren vorteilhaften -Aus führungsform der Leiter und/oder der weitere Leiter insbeson dere an seinem Kontaktbereich zu dem Gemisch mit einem Mate rial beschichtet, dessen Leitfähigkeit durch Einlagerung von Molekülen des Gemisches änderbar ist. Bevorzugt werden der Leiter und/oder der weitere Leiter mit Polymeren beschich tet, die diese Eigenschaft besitzen. Weiterhin ist vorteil haft zwischen dem Beschichtungsmaterial und dem Leiter keine Zwischenschicht, beispielsweise in Form eines Isolators vor handen. In particular for determining the concentration of a gas in a gas mixture is according to another advantageous -Off management form of the leader and / or the other leader in particular the other at its contact area with the mixture with a mate rial coated, the conductivity by embedding Molecules of the mixture is changeable. The are preferred Coat the conductor and / or the other conductor with polymers tet that possess this property. It is also an advantage does not adhere between the coating material and the conductor Intermediate layer, for example in the form of an insulator act.

Durch die Einlagerung von Molekülen des Gemisches in das Be schichtungsmaterial wird die Leitfähigkeit in der unmittel baren Umgebung des elektrischen Leiters abhängig vom jeweili gen Gemisch verändert, wodurch Verluste des elektrischen Lei ters verändert werden. Hierbei kommt neben den eingangs erwähnten Verlusten auch der Skineffekt zum Tragen, da durch die Änderung der Leitfähigkeit in der unmittelbare Umgebung des Leiters eine Änderung des Nebenschlusses zwischen dem Leiter und dem Beschichtungsmaterial erzeugt wird. Hierbei ist anzumerken, daß durch Wahl der Frequenz der Wechselwir kungsbereich des elektrischen Leiters in das Medium hinein variierbar ist.By incorporating molecules of the mixture into the Be Layering material will reduce conductivity in the immediate environment of the electrical conductor depending on the respective gen mixture changed, causing loss of electrical Lei be changed. Here comes next to the beginning losses mentioned also the skin effect to bear, because of the change in conductivity in the immediate vicinity the conductor changes the shunt between the Conductor and the coating material is generated. Here it should be noted that by choosing the frequency the inter kungsbereich the electrical conductor into the medium is variable.

Während für die Untersuchung von flüssigen Gemischen Frequen zen im Bereich von einigen Kilohertz und einigen Megahertz vorteilhaft sind, kann bei der Untersuchung von Gasgemischen der verwendete elektrische Leiter mit Frequenzen bis in den Gigahertz-Bereich beaufschlagt werden. Beispielsweise ergab sich bei einer Konzentrationsbestimmung von Methanol in einem Methanol-Stickstoff-Gemisch bei einer Verwendung einer Wechselspannung von 300 MHz ein Verlustwiderstand einer mit einem Polymer beschichteten Spule von 13,1 Ohm gegenüber einem Verlustwiderstand von 9,35 Ohm bei reinem Stickstoff. Demgegenüber blieb die Induktivität der Spule nahezu unver ändert. Der Anteil des Methanols lag bei diesem Versuch im Prozentbereich. Grundsätzlich kann jedoch die Frequenz der verwendeten Wechselspannung beliebig gewählt werden, solange der elektrische Leiter im induktiven Bereich betrieben wird.While for the investigation of liquid mixtures Frequen zen in the range of a few kilohertz and a few megahertz can be advantageous when examining gas mixtures the electrical conductor used with frequencies up to Gigahertz range. For example, revealed when determining the concentration of methanol in a methanol-nitrogen mixture when using a AC voltage of 300 MHz with a loss resistance a polymer coated coil of 13.1 ohms a loss resistance of 9.35 ohms with pure nitrogen. In contrast, the inductance of the coil remained almost unchanged changes. The proportion of methanol in this experiment was Percentage range. Basically, however, the frequency of the AC voltage used can be chosen as long as the electrical conductor is operated in the inductive range.

Der elektrische Leiter kann grundsätzlich jede beliebige Form besitzen. Vorteilhaft ist der elektrische Leiter als Spule, als Spirale oder als im wesentlichen gerader Leiter ausgebildet. Dabei kann als Leiter ein einfacher Draht, ein Hohlleiter, ein Streifenleiter oder beispielsweise ein Koaxialleiter verwendet werden. Insbesondere kann der elek trische Leiter direkt als auf eine Platine oder eine Folie lithographisch aufgebrachter Leiter ausgebildet sein. Bei der Ausbildung des elektrischen Leiters als Hohlleiter kann das zu untersuchende Gemisch vorteilhaft durch den Hohllei ter hindurchgeleitet werden. Dabei können insbesondere die Innenflächen des Hohlleiters beschichtet oder dem zu untersu chenden Gemisch direkt ausgesetzt sein. Dies ist besonders zur Konzentrationsbestimmung von Substanzen in Gasgemischen oder in Flüssigkeiten vorteilhaft.The electrical conductor can basically be any To have shape. The electrical conductor is advantageous as Coil, as a spiral or as a substantially straight conductor educated. A simple wire can be used as the conductor Waveguide, a strip line or for example a Coaxial conductors are used. In particular, the elec electrical conductor directly as on a circuit board or a foil lithographically applied conductor. At the formation of the electrical conductor as a waveguide can the mixture to be investigated advantageously by the Hohllei ter are passed through. In particular, the Coated inner surfaces of the waveguide or to be examined exposed mixture. This is special for determining the concentration of substances in gas mixtures or advantageous in liquids.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Further advantageous embodiments of the invention are in specified in the subclaims.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei spiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert; in diesen zeigen:The invention is illustrated below with the aid of an embodiment game explained with reference to the drawings; in these show:

Fig. 1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäß ausge bildeten Vorrichtung, Fig. 1 is a diagram of a device according to the invention be formed,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung mit Temperaturkom pensation, Fig. 2 is a block diagram of an inventive apparatus pensation with Temperaturkom,

Fig. 3 ein Meßdiagramm bei dem die Induktivität und der Verlustwiderstand über dem Wasseranteil in Bremsflüssigkeit bei Verwendung einer kernlosen Spule aufgetragen ist, Fig. 3 is a measurement diagram is plotted in which the inductance and the loss of resistance to the water content in brake fluid using a coreless coil,

Fig. 4 ein Meßdiagramm gemäß Fig. 3 bei Verwendung einer Spule mit einem Ringkern, Fig. 4 shows a measuring diagram of Fig. 3 when using a coil with a toroidal core,

Fig. 5 ein Meßdiagramm gemäß Fig. 3 bei Verwendung einer Spule mit einem Schalenkern, Fig. 5 is a measurement diagram of FIG. 3 when using a coil with a pot core,

Fig. 6 ein Meßdiagramm gemäß Fig. 3 bei Verwendung einer Spule mit einem zylindrischen Kern, Fig. 6 shows a measuring diagram of Fig. 3 when using a spool with a cylindrical core,

Fig. 7 ein Meßdiagramm, bei dem die Induktivität und der Verlustwiderstand über der Frost schutzmittelkonzentration aufgetragen ist und Fig. 7 is a measurement diagram in which the inductance and the loss resistance is plotted against the antifreeze concentration and

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer erfin dungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung mit zwei über einen gemeinsamen ferromagneti schen Kern gekoppelten Spulen. Fig. 8 is a schematic representation of an inventively designed device with two coils coupled via a common ferromagnetic core's.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung umfaßt einen als Spule 1 ausgebildeten elektrischen Leiter, der mit einem Quarz 2 in Serie geschaltet ist und zusammen mit einer Resonator schaltung 5 einen Schwingkreis 4 bildet. Der Schwingkreis 4 besitzt einen Signalausgang 7, an dem die Schwingfrequenz des Schwingkreises 4 abgreifbar ist.The circuit shown in Fig. 1 comprises a coil 1 formed as an electrical conductor, which is connected in series with a quartz 2 and together with a resonator circuit 5 forms a resonant circuit 4 . The oscillating circuit 4 has a signal output 7 , at which the oscillating frequency of the oscillating circuit 4 can be tapped.

Die Spule 1 ist vollständig in einem gestrichelt dargestell ten Behälter 8 angeordnet, in dem das zu untersuchende Ge misch, beispielsweise ein Gemisch aus Wasser und Bremsflüs sigkeit, angeordnet ist. Die Spule 1 ist vollständig von dem Gemisch umgeben und steht mit diesem unmittelbar in Kontakt.The coil 1 is completely arranged in a dashed line shown container 8 , in which the Ge to be examined mixture, for example a mixture of water and Bremsflüs liquid, is arranged. The coil 1 is completely surrounded by the mixture and is in direct contact with it.

Um einerseits einen Kurzschluß des die Spule 1 bildenden elektrischen Leiters zu vermeiden und andererseits den Ab stand zwischen dem elektrischen Leiter und dem Gemisch so gering wie möglich zu halten, ist der die Spule 1 bildende elektrische Leiter mit einer dünnen, isolierenden Lack schicht beschichtet.In order on the one hand to avoid a short circuit of the electrical conductor forming the coil 1 and on the other hand to keep the position between the electrical conductor and the mixture as low as possible, the electrical conductor forming the coil 1 is coated with a thin, insulating lacquer layer.

Da die Umgebung einer Spule großen Einfluß auf ihre Verluste hat, muß entsprechend für eine Schirmung gesorgt werden, damit lediglich das interessierende Gemisch Einfluß auf die die Verluste kennzeichnenden Parameter hat.Because the environment of a coil greatly affects its losses must be appropriately shielded, so that only the mixture of interest influences the has the parameters characterizing the losses.

In dem in Fig. 2 dargestellten Blockschaltbild ist die Spu le 1 über Verbindungsleitungen 9 mit einer schematisch darge stellten elektrischen Schaltung 10 verbunden, die den Quarz 2, sowie die in in Fig. 1 dargestellte Resonatorschaltung 5 umfaßt.In the block diagram shown in FIG. 2, the coil 1 is connected via connecting lines 9 to a schematically illustrated electrical circuit 10 which comprises the quartz 2 and the resonator circuit 5 shown in FIG. 1.

Der Ausgang der elektrischen Schaltung 10 ist über eine Ver bindungsleitung 11 mit einer Temperaturkompensationsschal tung 12 verbunden, die über eine weitere Verbindungsleitung 13 mit einem an der Spule 1 vorgesehenen Temperatursensor 14 in Verbindung steht. Der Ausgang der Temperaturkompensations schaltung 12 ist über eine Verbindungsleitung 15 an einer Auswerteschaltung 6 angeschlossen.The output of the electrical circuit 10 is connected via a connecting line 11 to a temperature compensation circuit 12 , which is connected via a further connecting line 13 to a temperature sensor 14 provided on the coil 1 . The output of the temperature compensation circuit 12 is connected via a connecting line 15 to an evaluation circuit 6 .

Aus den Fig. 3 bis 6, die jeweils den gemessenen Verlauf der Induktivität und des Verlustwiderstands der in ein Ge misch aus Wasser und Bremsflüssigkeit eingetauchten Spule 1 gegenüber dem prozentualen Wasseranteil darstellen, ist er sichtlich, daß sowohl die Induktivität als auch der Verlust widerstand der Spule 1 mit zunehmendem Wasseranteil an steigt.From Figs. 3 to 6, each of which represents the measured profile of the inductance and the loss resistance of the mixed immersed in a Ge of water and brake coil 1 with respect to the percentage of water content, it is clear that both the inductance and the loss resistance of the Coil 1 increases with increasing water content.

Während für die gemessenen Wasserkonzentrationen die Zunahme der Induktivität der Spule 1 zwischen ca. 1% und 15% liegt, liegt die entsprechende Zunahme des Verlustwiderstandes je nach gewählter Spulenausbildung zwischen 30 und 400%. Dies zeigt, daß grundsätzlich sowohl eine Auswertung der Induk tivitätsänderung als auch der Änderung des Verlustwiderstan des möglich ist, jedoch die Änderung des Verlustwiderstandes bevorzugt zur Bestimmung der Konzentration verwendet werden sollte, da sich der Verlustwiderstand, zumindest bei den untersuchten Beispielen, stärker mit dem prozentualen Wasser anteil ändert. Weiterhin ist erkennbar, daß durch Verwendung einer Spule mit Kern bzw. durch die Wahl von bestimmten Kern formen die Absolutwerte sowohl des Verlustwiderstands als auch der Induktivität erhöht werden, so daß auch deren Ände rungen bei einer Änderung der Wasserkonzentration größer und damit unter Umständen besser meßbar sind.While for the measured water concentrations the increase in inductance of coil 1 is between approx. 1% and 15%, the corresponding increase in loss resistance is between 30 and 400% depending on the coil design selected. This shows that in principle both an evaluation of the change in inductivity and the change in the loss resistance is possible, but the change in the loss resistance should preferably be used to determine the concentration, since the loss resistance, at least in the examples examined, increases more strongly with the percentage Water content changes. Furthermore, it can be seen that by using a coil with a core or by selecting certain core shapes, the absolute values of both the loss resistance and the inductance are increased, so that their changes when the water concentration changes are larger and thus, under certain circumstances, better measurable are.

Ebenso ist aus den Fig. 3 bis 6 erkennbar, daß abhängig von der Art des gewählten Spulenkerns unterschiedliche Ver läufe für den Verlustwiderstand bzw. für die Induktivität erzielbar sind.It can also be seen from FIGS. 3 to 6 that, depending on the type of coil core selected, different runs for the loss resistance or for the inductance can be achieved.

Aus dem in Fig. 7 dargestellten Diagramm ist ersichtlich, daß sowohl der Verlustwiderstand als auch die Induktivität einer in ein aus Frostschutzmittel und Wasser bestehendes Gemisch eingetauchten Spule 1 zunächst mit steigender Frost schutzmittelkonzentration ansteigen und nach Überschreiten eines Maximalwertes jeweils abnehmen. Dieser Verlauf kann in der Praxis dahingehend ausgewertet werden, daß der Verlust widerstand und/oder die Induktivität einer in das Gemisch eingetauchten Spule einen bestimmten Minimalwert nicht unter schreiten darf, da bei Unterschreitung eines vorgegebenen Minimalwertes zum einen die Frostschutzeigenschaft und zum anderen die gewünschten sonstigen physikalischen Eigenschaf ten, wie beispielsweise die Viskosität, unzulässige Werte annehmen.From the example shown in Fig. 7 graph it can be seen that both the loss resistance and the inductance of an immersed into an existing of antifreeze and water mixture coil 1 initially retardant concentration increase with increasing frost and after exceeding a maximum value decrease respectively. In practice, this course can be evaluated in such a way that the loss resistance and / or the inductance of a coil immersed in the mixture must not fall below a certain minimum value since, on the one hand, the frost protection property and, on the other hand, the desired other physical properties are undershot when the value falls below a specified minimum value Properties such as viscosity assume impermissible values.

Im folgenden wird das erfindungsgemäß ausgebildete Verfahren sowie die Funktionsweise einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung näher beschrieben:The following is the method designed according to the invention as well as the functioning of a trained according to the invention Device described in more detail:

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung wird so justiert, daß der aus der Spule 1 und dem bei seiner Resonanzfrequenz von 8 MHz schwingenden Quarz 2 bestehende Zweipol an die Schal tungseingangsimpedanz der Resonatorschaltung 5 bestmöglich angepaßt ist, während die Spule 1 vollständig von Luft umge ben ist.The circuit shown in Fig. 1 is adjusted so that the existing from the coil 1 and the oscillating at its resonance frequency of 8 MHz quartz 2 two-pole to the circuit input impedance of the resonator circuit 5 is adapted as best as possible, while the coil 1 ben completely from air is.

Anschließend wird die Spule 1 zur Bestimmung beispielsweise des Wasseranteils in Bremsflüssigkeit in das aus Wasser und Bremsflüssigkeit bestehende Gemisch vollständig eingetaucht, so daß durch die in der Spule 1 aufgrund der Einwirkung des Gemischs auftretenden Verluste eine Impedanzänderung der Spule 1 eintritt, die zu einer Fehlanpassung zwischen der Spule 1 und dem Quarz 2 einerseits und der Schaltungsein gangsimpedanz der Resonatorschaltung 5 andererseits führt.Subsequently, the coil 1 is completely immersed in the mixture consisting of water and brake fluid to determine, for example, the water content in brake fluid, so that the losses occurring in the coil 1 due to the action of the mixture result in an impedance change in the coil 1 , which leads to a mismatch between the coil 1 and the quartz 2 on the one hand and the circuit input impedance of the resonator circuit 5 leads on the other.

Aufgrund dieser Fehlanpassung entsteht eine Frequenzverschie bung, die für die Konzentration des Wassers in der Bremsflüs sigkeit repräsentativ ist und beispielsweise an einer am Signalausgang 7 angeschlossenen Frequenzanzeigeeinheit abgelesen werden kann.Because of this mismatch, a frequency shift occurs which is representative of the concentration of water in the brake fluid and can be read, for example, from a frequency display unit connected to the signal output 7 .

Es ist jedoch auch möglich, den Signalausgang 7 beispiels weise einer Auswerteeinheit 6, beispielweise in Form eines Mikrocomputers zuzuführen, die mittels in einem Speicher abgelegten, in vorher durchgeführten Meßreihen bestimmten Tabellen direkt die Konzentration des Wassers ausgibt.However, it is also possible to supply the signal output 7, for example, to an evaluation unit 6 , for example in the form of a microcomputer, which directly outputs the concentration of the water by means of tables stored in a memory and determined in previously carried out measurement series.

Weiterhin ist durch die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrich tung auch eine In-situ-Konzentrationsbestimmung möglich. Dabei ist die Spule 1 ständig innerhalb des zu untersuchen den Gemischs angeordnet, wobei die aufgrund von Änderungen der Wasserkonzentration auftretenden Impedanzänderungen bzw. der jeweilige, der aktuellen Wasserkonzentration entsprechen de absolute Impedanzwert durch die beschriebene Vorrichtung ermittelt werden können.Furthermore, the device designed according to the invention also makes it possible to determine the concentration in situ. The coil 1 is always arranged within the mixture to be examined, the impedance changes occurring due to changes in the water concentration or the respective absolute impedance value corresponding to the current water concentration being able to be determined by the device described.

Um in dem Gemisch auftretende Temperaturschwankungen, die zu Impedanzschwankungen führen können, zu kompensieren, kann über den Temperatursensor 14 die im Bereich der Spule 1 herr schende Temperatur gemessen und über die Temperaturkompensa tionsschaltung 12 entsprechend kompensiert werden.To compensate in the mixture occurring temperature fluctuations, which may cause impedance variations, the master in the field of coil 1 Schende temperature can be measured via the temperature sensor 14 and the temperature compensation, circuit 12 can be compensated accordingly.

In Fig. 8 sind zwei Spulen 19, 20 vollständig in einem mit einem beispielsweise aus Wasser und Frostschutzmittel beste henden Gemisch gefüllten Behälter 8 angeordnet, wobei beide Spulen 19, 20 über einen gemeinsamen ferromagnetischen Kern 21 miteinander gekoppelt sind. Die als Senderspule ausge bildete Spule 19 wird über eine Ansteuereinheit 18 ange steuert und mit Wechselspannung beaufschlagt, wodurch in der als Empfängerspule ausgebildeten Spule 20 eine Induktions spannung erzeugt wird. Diese wird von einer Auswerteschal tung 6 abgegriffen und ausgewertet.In Fig. 8, two coils 19, arranged completely in a container filled with a best example of water and antifreeze mixture Henden container 8 20, both coils 19, 20 are coupled on a common ferromagnetic core 21 with each other. The coil 19 formed as a transmitter coil is controlled via a control unit 18 and supplied with alternating voltage, whereby an induction voltage is generated in the coil 20 designed as a receiver coil. This is tapped and evaluated by an evaluation circuit 6 .

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird durch die von der Wasser konzentration abhängigen Verluste der beiden Spulen 19, 20 die Kopplung zwischen den Spulen 19, 20 beeinflußt, so daß durch Bestimmung der Kopplung bzw. von Änderungen der Kopp lung, beispielsweise durch Messung der Übertragungsfunktion, z. B. mittels eines Vektorvoltmeters, die Wasserkonzentration ermittelt werden kann.In this embodiment, the coupling between the coils 19 , 20 is influenced by the water-dependent losses of the two coils 19 , 20 , so that by determining the coupling or changes in the coupling, for example by measuring the transfer function, for. B. by means of a vector voltmeter, the water concentration can be determined.

Bei dem Beispiel nach Fig. 8 können anstelle der beiden Spulen 19, 20 und des Kerns 21 beispielsweise zwei z. B. als nebeneinander angeordnete Streifenleiter ausgebildete Anten nen vorgesehen sein, die vollständig in das zu untersuchende Gemisch eingetaucht sind. Eine der Antennen bildet dabei eine Sendeantenne und die andere eine Empfangsantenne.In the example of Fig. 8, instead of the two coils 19, 20 and the core 21, for example, two. B. trained as adjacent stripline antennas NEN are provided, which are completely immersed in the mixture to be examined. One of the antennas forms a transmitting antenna and the other a receiving antenna.

Die Sendeantenne wird zur Aussendung elektromagnetischer Wellen über eine Ansteuerschaltung angesteuert und mit Wechselspannung beaufschlagt, während das von der Empfangs antenne empfangene Signal an eine Auswerteschaltung über tragen und von dieser ausgewertet wird. The transmitting antenna becomes electromagnetic Waves controlled by a control circuit and with AC voltage is applied while receiving from antenna received signal to an evaluation circuit wear and is evaluated by this.

Bei dieser Variante wird aufgrund der in der Sendeantenne und in der Empfangsantenne entstehenden Verluste, die durch Einwirkung des die Antennen unmittelbar umgebenden Gemischs verursacht werden, das an die Auswerteschaltung übertragene Empfangssignal abhängig von der Wasserkonzentration im Frost schutzmittel gedämpft. Somit kann beispielsweise durch Mes sung der Übertragungsfunktion z. B. mittels eines Vektorvolt meters, die Dämpfung und damit die Wasserkonzentration gemes sen werden.This variant is based on the in the transmitting antenna and losses in the receiving antenna caused by Exposure to the mixture immediately surrounding the antennas caused, the transmitted to the evaluation circuit Receive signal depending on the water concentration in frost steamed protective agents. Thus, for example, by measuring solution of the transfer function z. B. by means of a vector volt meters, the damping and thus the water concentration measured will be.

Grundsätzlich können beliebige elektromagnetisch gekoppelte Sende-Empfangs-Elemente verwendet werden, um aus der ermit telten Dämpfung bzw. Kopplung zwischen den einzelnen Elemen ten die Konzentration bestimmter Substanzen in Gemischen zu bestimmen.Basically any electromagnetically coupled Transceiver elements are used to get out of the ermit damping or coupling between the individual elements increased the concentration of certain substances in mixtures determine.

Claims

1. A method for determining the concentration of substances in mixtures, characterized in that at least one electrical conductor subjected to alternating voltage is introduced into the mixture and that the losses occurring in the electrical conductor due to the effect of the mixture directly surrounding the electrical conductor or a loss most significant size can be determined.

2. The method according to claim 1, characterized, that as losses dielectric losses and / or eddies power losses and / or wake losses and / or abstrah Solution losses and / or ohmic losses are determined the.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized, that the impedance of the electrical conductor, in particular the loss resistance and / or the inductance of the elec tric head is determined.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that changes in the impedance of the electrical conductor, in particular changes in loss resistance and / or the inductance of the electrical conductor a predetermined reference value and / or compared to a value determined in a previous method step be determined.

5. The method according to claim 3 or 4, characterized, that the impedance or the changes in the impedance of the electrical conductor over a resistance bridge he be averaged.

6. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that the electrical conductor is part of a resonant circuit and that they occur due to the existing losses the changes in the resonance frequency or changed resonance frequency of the resonant circuit can be determined.

7. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that the electrical conductor as an electromagnetic sen which is operated that another electrical conductor together as an electromagnetic receiver introduced into the mixture with the electrical conductor and that due to the losses in the transmitter and / or attenuation occurring in the receiver Receiver acting electromagnetic field determined becomes.

8. The method according to claim 7, characterized, that the damping by measuring the transfer function, is determined in particular with a vector voltmeter.

9. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that the concentration of a particular liquid in a liquid, gas or solid mixture, esp especially the concentration of water in brake fluid or in antifreeze, or the concentration of one in particular powdery solid, in particular one or more salts in a liquid, gas, or solid mixture is determined.

10. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized, that the concentration of a particular gas in one Gas, liquid or solid mixture determined becomes.

11. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that occurring in the area of the electrical conductor fluctuations in temperature when determining losses or of this characteristic quantity can be compensated.

12. A device for determining the concentration of substances in mixtures, in particular for carrying out the method according to one of the preceding claims, with at least one electrical conductor ( 1 , 19 , 20 ) which is designed to be introduced into the mixture, and at least one with alternating voltage With an evaluation circuit ( 6 ) for determining the losses occurring in the electrical conductor ( 1 , 19 , 20 ), which occur when the electrical conductor ( 1 , 19 , 20 ) is arranged in the mixture due to the action of the electrical conductor ( 1 , 19 , 20 ) occur immediately surrounding mixture, or a variable characterizing these losses.

13. The apparatus according to claim 12, characterized in that the electrical conductor ( 1 , 19 , 20 ) is designed as a coil and / or as a spiral wound conductor and / or as a substantially straight conductor.

14. The apparatus according to claim 12 or 13, characterized in that the electrical conductor ( 1 , 19 , 20 ) is designed as a waveguide and / or as a strip conductor and / or as a coaxial conductor and / or as a simple wire.

15. Device according to one of claims 12 to 14, characterized in that the electrical conductor ( 1 ) is part of an oscillating circuit ( 4 ), the oscillation frequency of which can be determined by the evaluation circuit ( 6 ).

16. The apparatus according to claim 15, characterized in that the resonant circuit ( 4 ) is a frequency-determining element, in particular high quality, in particular a quartz ( 2 ) and the evaluation circuit ( 6 ) a frequency detection section for detecting the change in impedance of the electrical conductor ( 1 ) caused oscillation frequency change of the resonant circuit ( 4 ).

17. The device according to one of claims 12 to 16, characterized in that the electrical conductor is designed as an electromagnetic sensor ( 19 ) and that a further, an electromagnetic receiver ( 20 ) forming electrical conductor is provided for introduction into the mixture, which can be electromagnetically coupled to the transmitter ( 19 ) and is connected to the evaluation circuit ( 6 ) for determining the attenuation of the received electromagnetic field which occurs due to the losses occurring in the transmitter ( 19 ) and / or the receiver ( 20 ).

18. The apparatus according to claim 17, characterized in that the transmitter and receiver are designed as a pair of antennas, as a directional coupler or as in particular a common ferro-magnetic core ( 21 ) having a pair of coils ( 19 , 20 ).

19. Device according to one of claims 12 to 18, characterized in that the conductor ( 1 , 19 ) and / or the further conductor ( 20 ) is coated in particular at its contact area with the mixture with a material whose conductivity by embedding molecules the mixture is changeable.

20. The apparatus according to claim 19, characterized in that the conductor ( 1 , 19 ) and / or the further conductor ( 20 ) is coated with polymers.

21. Device according to one of claims 12 to 20, characterized in that a temperature compensation circuit ( 12 ) for Kom compensation in the region of the electrical conductor ( 1 , 19 , 20 ) occurring temperature fluctuations is provided.