DE19635348C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Volumenbestimmung von Flüssigkeits-Tropfen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Volumenbestimmung von Flüssigkeits-Trop­ fen, insbesondere zur Niederschlagsmengenbestimmung.

Eine zuverlässige Volumenbestimmung kleinster Flüs­ sigkeitsmengen in Tropfenform stellt hohe Anforderungen an eine geeignete Meßtechnik. Der Meßbereich beträgt ca. 1 µl bis zu einer maximal möglichen Tropfengröße. Es ist die Volumenbestimmung über eine Gewichtsmessung bekannt, die Waagen für relativ kleine Kräfte erfor­ dert, die empfindlich auf Störungen, wie Luftströmun­ gen, Temperaturänderungen, Mikrofonie etc., reagieren. Mit Hilfe der Gewichtsmessung ist es praktisch unmög­ lich, das Einzel-Volumen eines jeden Tropfens getrennt zu messen, wenn die Tropfenereignisse rasch aufeinander folgen.

Ferner ist es bekannt, das Tropfenvolumen über op­ tische Meßverfahren zu ermitteln über die Auswertung der Abbildung der Gestalt des Tropfens über Abschattung oder ähnliche Verfahren, vgl. Patent Abstracts of Ja­ pan, Sect. P, Vol. 17 (1993) Nr. 536 (P-1620), JP 5-149769 (A). Hierbei beeinflussen die optische Transparenz (Transmissionsänderung durch Partikel) und die Reflektivität des Flüssigkeitstropfens die Meßge­ nauigkeit negativ.

Durch Patent Abstracts of Japan, Sect. P, Vol. 15 (1991) Nr. 410 (P-1264), JP 3-165219 (A), ist eine Vorrichtung zum Zählen von Flüssigkeitstropfen bekannt, die einen Sensor aufweist, der die Änderung eines elektrischen Feldes beim Vorbeifallen eines Trop­ fens an dem Sensor feststellt und auf diese Weise die vorbeifallenden Tropfen zählt. Zur Volumenbestimmung von Flüssigkeitstropfen ist die bekannte Vorrichtung nicht geeignet.

Durch DE 39 22 952 C2 ist ein Verfahren zur Kali­ brierung des Tropfenvolumens eines tropfengeregelten Druckinfusionsapparates bekannt, bei dem der Druckinfu­ sionsapparat durch Vergleich der Volumenströme mit ei­ nem volumetrischen Druckinfusionsapparat oder einem Durchflußmesser kalibriert wird. Die Kalibrierung ist nur für Flüssigkeit mit derselben Viskosität und Ober­ flächenspannung wie der zur Kalibrierung verwendeten Flüssigkeit einsetzbar. Bei dem bekannten Verfahren wird das Volumen der Flüssigkeits-Tropfen nicht gemes­ sen, sondern es wird lediglich die Anzahl der Tropfen pro Zeiteinheit auf opto-elektronischem Wege ermittelt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dar­ in, ein Verfahren und eine Vorrichtung des Verfahrens so auszubilden, daß das Volumen von Flüssigkeitstropfen genauer und mit geringerem Aufwand ermittelbar ist.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß An­ spruch 1 gelöst. Eine weitere Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 2 angegeben. Eine Vorrichtung zur Durchfüh­ rung des Verfahrens ist in Anspruch 3 angegeben. Vor­ teilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Vorrich­ tung sind in dem Anspruch 3 zugeordneten Unteransprü­ chen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die Möglich­ keit, isoliert aufgehängten, schwebenden oder fallenden Massen aufgrund ihrer Kapazität eine Ladung gegenüber der Umgebung aufzuprägen, die sie auch ohne Verbindung zur Spannungsquelle eine Zeitlang beibehalten. Einem Flüssigkeitstropfen, beispielsweise einem Wassertrop­ fen, wird durch Berührung mit einer gegenüber der Umge­ bung auf unterschiedlichem elektrischem Potential be­ findlichen Elektrode, beispielsweise einer Metallplat­ te, deren Potential (U_{Prägeelektrode}) aufgeprägt. Die vom Durchmesser bzw. von der Masse des Tropfens abhängige Kapazität bestimmt die Menge der vom Tropfen aufgenom­ menen Ladung.

Ein fallender aufgeladener Tropfen behält diese Ladung eine Zeitlang bei und teilt sie mit der Kapazi­ tät einer Auffangelektrode. Die Ladung des Tropfens erzeugt an der Summenkapazität des Tropfens und der Auffangelektrode einen Spannungssprung gegenüber der Umgebung.

Ein fallender, nicht aufgeladener Tropfen vergrö­ ßert beim Auftreffen auf die gegenüber der Umgebung auf unterschiedlichem elektrischem Potential befindliche Auffang-Elektrode deren Kapazität entsprechend seiner Kapazität, wodurch ein Spannungssprung bewirkt wird.

Der Spannungssprung wird gemessen und ausgewertet. Er kann beispielsweise mit einem geeigneten Meßverstär­ ker verstärkt und impedanzgewandelt in einem Spitzen­ wertdetektor gespeichert und anschließend zeitunkri­ tisch ausgewertet werden. Nach Umrechnung des kubischen Zusammenhanges zwischen Radius und Volumen einer Kugel erhält man einen volumenlinearen Meßwert, wenn man da­ von ausgeht, daß der Tropfen angenähert Kugelform auf­ weist.

Die Kapazität C einer Kugel mit dem Radius R im Raum beträgt C=4 π ∈_0(r)R, worin ∈_0(r) die elektrische Feldkonstante bedeutet.

Die Kapazität C bestimmt zusammen mit der Potenti­ aldifferenz (aufgeprägtes Potential) die elektrische Ladung Q des Tropfens gemäß folgender Beziehung:

Ladung des Tropfens: Q = C_Tropfen × U_{Prägeelektrode}.

Die Ladung des Tropfens gegenüber seiner Umgebung kann beispielsweise nach Berührung einer Auffangelek­ trode mit Hilfe eines Ladungs/Spannungskonverters ge­ messen werden. Zum Beispiel kann die Spannung, die sich beim Auftreffen des Tropfens auf die Kapazität der Meß­ elektrode und des hochohmigen Eingangs eines Opera­ tionsverstärkers einstellt und mit der Zeitkonstanten der Eingangsimpedanz abklingt, als Spitzenwert gemessen werden.
Meßspannungsspitze:

U = (C_Tropfen / (C_{Meßelektrode} + C_Tropfen)) × U_{Prägeelektrode}.

Über die Höhe der gemessenen Ladung kann bei konstanter bekannter Potentialdifferenz der prägenden Elektrode (U_{Prägeelektrode}) gegenüber der Umgebung das Volumen oder die Masse des Tropfens errechnet werden. Durch den kubi­ schen Zusammenhang zwischen Radius und Volumen einer Kugel müssen die Spannungsmeßwerte mit 3 potenziert werden, um eine volumenlineare Meßgröße zu erhalten.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeich­ nung, in der Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert werden.

Es zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungs­ form einer Vorrichtung zur Messung des Vo­ lumens von Flüssigkeitstropfen und

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer zweiten Aus­ führungsform einer Vorrichtung zur Messung des Volumens von Flüssigkeitstropfen.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 weist einen Flüssig­ keits-Sammelbehälter 2, beispielsweise einen Wasser­ tropfen-Sammelbehälter, auf, in dem die Niederschlags­ menge einer bestimmten Querschnittsfläche aufgefangen wird. Die gesammelte Wassermenge wird über einen Trop­ fenbildner 4 als eine zeitliche Folge von Wassertropfen 6 in eine darunter angeordnete Meßvorrichtung 8 abge­ geben. Der Tropfenbildner 4 weist eine Potential-Füh­ rungsnadel 10 auf, die über den Wassertropfen-Sammelbe­ hälter oder direkt mit einer Spannungsquelle, bei­ spielsweise einem Hochspannungskonverter 12, in Verbin­ dung steht, welcher die notwendige Potential-Differenz des Flüssigkeits-Sammelbehälters 2 bzw. der Potential-Führungs­ nadel 10 zur Umgebung erzeugt.

Die Meßvorrichtung 8 umfaßt eine Tropfen-Auffang-Elektrode 16 sowie eine nachgeschaltete Meßelektronik.

Bei der Ablösung eines Wassertropfens 6 vom Trop­ fenbildner 4 nimmt dieser eine gut angenäherte Kugel­ form an. Während dieser Zeit steht er durch die Poten­ tial-Führungsnadel 10 mit dem Potential des Tropfen-Sammel­ behälters in Verbindung, d. h. daß der Tropfen in seiner bereits runden Form in elektrischem Kontakt mit dem Tropfen-Sammelbehälter steht. Die notwendige Potential-Differenz des Sammelbe­ hälters 2 zur Umgebung wird über den Hochspannungskon­ verter 12 erzeugt.

Die Potential-Führungsnadel 10 besteht aus einem leitfähigen, hydrophoben Material, welches den Tropfen bei seiner Ablösung möglichst wenig deformiert. Die Potential-Führungsnadel 10 sorgt für eine genaue Ablö­ sekapazität des Tropfens.

Der Tropfen 6 fällt nach seiner Ablösung von der Potentialführungsnadel 10 nach unten und trägt hierbei eine aus seiner Kapazität zur Umgebung und der Spannung des Wassertropfen-Sammelbehälters 2 bzw. der Potential-Führungs­ nadel 10 resultierende Ladung.

Der Tropfen durchfällt das koaxiale Feld einer Feld-Elektrode 14, welche auch bei kleiner Abweichung der Tropfen-Fallbahn von der ideal senkrechten Fallbahn keine wesentlichen Kapazitätsänderungen des Tropfens gegen seine Umgebung bewirkt. Die Feld-Elektrode 14 bewirkt eine Abschirmung gegen elektrische Einflüsse von außen. Sie kann ein koaxiales oder anders ausge­ bildetes Feld zur Verbesserung der Eigenschaften der Vorrichtung bewirken. Die Feld-Elektrode 14 kann ein anderes elektrisches Potential als der Tropfenbildner oder die Auffangelektrode aufweisen.

Beim Annähern, kurz vor dem Auftreffen des Tropfens auf die Auffang-Elektrode 16 verliert der Tropfen einen Anteil seiner gespeicherten elektrischen Energie, weil er sich dort mit dem elektrischen Feld bewegt. Dieser Effekt hat jedoch keinen Einfluß auf die Meßgenauig­ keit, weil bei jeder Tropfengröße bzw. seiner jeweili­ gen Kapazität, sich diese Energieänderung proportional verhält.

Beim Auftreffen des Tropfens 6 auf die Auffang-Elektrode 16 teilt der Tropfen seine Ladung mit der Kapazität dieser Elektrode und der Eingangskapazität eines Meßverstärkers, beispielsweise eines La­ dungs/Spannungskonverters 20. Diese Kapazitäten werden in Abhängigkeit von der elektrischen Energie in Form der Ladung und Kapazität des Tropfens 6 geladen. Die Folge ist ein Spannungssprung am Eingang des Ladungs/Spannungs­ konverters 20.

Um größere Schwankungen der Dielektrizitätskonstan­ ten ∈ der umgebenden Luft, bedingt beispielsweise durch Temperatur- und Luftfeuchteänderungen zu kompensieren, kann eine Kompensations-Elektrode 22 vorgesehen werden, die zusammen mit der Auffang-Elektrode 16 einen Kon­ densator bildet, dessen Kapazität von der Dielektrizi­ tätkonstanten ∈ des umgebenden Mediums abhängt und so Kapazitätsänderungen bei Tropfen gleicher Größe durch sich ändernde Dielektrizitätskonstanten kompensiert, dessen Kapazität zur Umgebung sich also proportional mit einer Kapazitätsänderung des Tropfens ändert.

Der Ausgang des Ladungs/Spannungskonverters 20 führt in einen Spannungs-Spitzenwert-Detektor 24, der die Spannungsspitze für die weitere Verarbeitung spei­ chert. Um eine volumenproportionale Ausgangsgröße zu erhalten, kann dieser Spitzenwert über einen Potenzie­ rer 26 mit 3 potenziert werden. Am Ausgang eines Aus­ gangspuffers 28 steht ein analoger volumenproportiona­ ler Meßwert zur Verfügung. Der Ausgang des Spitzen­ wert-Detektors 24 kann über einen Komparator 30 eine Über­ gabe-Aufforderung nach außen abgeben. Nach Abruf des Analogmeßwertes von z. B. einem externen Daten-Logger kann der Spitzenwert-Detektor 24 durch Rückgabe einer Übergabebestätigung an ein Rücksetz-Monoflop 32 ge­ löscht werden.

Die Vorrichtung nach Fig. 2 weist einen Flüssig­ keitstropfen-Sammelbehälter 40, beispielsweise einen Wassertropfen-Sammelbehälter auf, in dem die Nieder­ schlagsmenge einer bestimmten Querschnittsfläche aufge­ fangen wird. Die gesammelte Wassermenge wird über einen Tropfenbildner 42 als eine zeitliche Folge von Wasser­ tropfen in eine darunterliegende Meßvorrichtung 44 ab­ gegeben. Die Meßvorrichtung 44 umfaßt eine Auffang-Elektrode 46, die mit einem Meßverstärker, beispiels­ weise einem Ladungs/Spannungskonverter 48 verbunden ist.

Bei der Ablösung eines Wassertropfens 6 vom Trop­ fenbildner 42 nimmt dieser bereits eine gut angenäherte Kugelform an. Während der Tropfen 6 die Strecke bis zu Auffang-Elektrode 46 durchfällt, idealisiert sich seine Kugelform weiterhin. Die Geschwindigkeit, die der Trop­ fen 6 auf der relativ kurzen Fallstrecke aufnimmt, führt noch nicht zu einer nennenswerten Deformierung der Kugelform.

Der Tropfen 6 fällt nach seiner Ablösung vom Trop­ fenbildner 42 nach unten und trägt hierbei keine Ladung gegenüber der Umgebung, da der Tropfen-Sammelbehälter 40 keinen Potentialunterschied zur Umgebung aufweist.

Der Auffang-Elektrode 46 wird durch eine Spannungs­ quelle, beispielsweise einen Hochspannungskonverter 62, und über einen hochohmigen Widerstand oder eine Kon­ stantstromquelle (nicht dargestellt) ein gegenüber Um­ gebung unterschiedliches Potential aufgeprägt.

Beim Auftreffen des Tropfens 6 auf die Auffang-Elektrode 46 vergrößert dieser gemäß seiner Kapazität gegenüber der Umgebung die Kapazität der Elektrode und der Koppelkapazität zum Ladungs/Spannungskonverter 48. Die Folge hiervon ist ein Spannungssprung an der Auf­ fang-Elektrode 46 und am Eingang des Ladungs/Spannungs­ konverters 48. Der Ausgang des Ladungs/Spannungs­ konverters 48 führt in einen Spannungs-Spit­ zenwert-Detektor 50, der den Spannungsspitzenwert für die weitere Verarbeitung speichert.

Um eine volumenproportionale Ausgangsgröße zu er­ halten, kann dieser Spitzenwert über einen Potenzierer 52 mit 3 potenziert werden.

Nach einem Ausgangspuffer 54 steht der analoge vo­ lumenproportionale Meßwert zur Verfügung. Der Ausgang des Spitzenwert-Detektors 50 kann über einen Komparator 56 eine Übergabe-Aufforderung nach außen abgeben.

Nach Abruf des Analogmeßwertes von z. B. einem ex­ ternen Daten-Logger kann durch Rückgabe einer Übergabe­ bestätigung an ein Rücksetz-Monoflop 60 der Spitzenwert-Detektor gelöscht werden.

Der Spitzenwertdetektor 24 oder 48 kann entfallen, wenn durch einen sehr hohen Eingangswiderstand des La­ dungs/Spannungs-Konverters 20 oder 48 eine ausreichend große Abkling-Zeitkonstante erreicht wird oder wenn eine digitale Spitzenwertmessung über A/D-Wandler be­ nutzt wird.

Die Auffang-Elektrode 16 oder 46 kann beispiels­ weise eben, konvex oder konkav gekrümmt sein. Sie kann beispielsweise aus einer Folie oder aus einem Gitter bestehen.

Claims (16)

1. Verfahren zur Messung des Volumens von Flüssigkeits-Trop­ fen, mit folgenden Verfahrensschritten:

• - Vereinzelung eines Flüssigkeitsvolumens in einzelne Tropfen,
• - Aufladung der einzelnen Tropfen mit einer elektrischen Ladung gegenüber ihrer Umgebung, welche von der Potenti­ aldifferenz und der Kapazität des Tropfens zu seiner Umgebung abhängig ist,
• - Messung der Kapazität des jeweiligen Tropfens durch Er­ mittlung der Ladung des Tropfens über die Messung einer Spannungsänderung beim Auftreffen des Tropfens auf eine auf Umgebungspotential befindliche Auffang-Elektrode,
• - Ermittlung des Volumens des jeweiligen Tropfens aus der gemessenen Kapazität des Tropfens.

2. Verfahren zur Messung des Volumens von Flüssigkeits-Trop­ fen, mit folgenden Verfahrensschritten:

• - Vereinzelung eines Flüssigkeitsvolumens in einzelne Tropfen,
• - Erzeugung einer Spannungsänderung durch Auftreffen des einzelnen ungeladenen Tropfens auf eine gegenüber der Umgebung auf unterschiedlichem Potential befindliche Auffang-Elektrode,
• - Ermittlung der Kapazität des jeweiligen Tropfens aus der gemessenen Spannungsänderung
• - Ermittlung des Volumens des jeweiligen Tropfens aus der ermittelten Kapazität des Tropfens.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, mit

• - einem Flüssigkeitstropfen-Sammelbehälter (2, 40), wel­ cher einen Tropfenbildner (4, 42) aufweist zur Abgabe von Einzeltropfen,
• - einer Einrichtung zur Aufladung der durch den Tropfen­ bildner (4, 42) gebildeten Einzeltropfen,
• - einer unterhalb des Flüssigkeitstropfen-Sammelbehälters (2, 42) angeordneten, an eine Auffang-Elektrode (16, 46) angeschlossenen Meßeinrichtung (8, 44) zur Ermittlung der Kapazität der Tropfen durch Messung der beim Auf­ treffen auf die Auffang-Elektrode erzeugten Spannungs­ änderung,
• - einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung des Tropfenvo­ lumens aus der gemessenen Kapazität des jeweiligen Trop­ fens.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Aufladen des Tropfens eine Spannungsquel­ le (12, 62) umfaßt, die an den Flüssigkeitstropfen-Sammelbe­ hälter (2) oder den Tropfenbildner (4) oder an die Auf­ fang-Elektrode (46) angeschlossen ist zur Aufladung dieser auf ein gegenüber Umgebungspotential unterschiedliches elektrisches Potential.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Tropfenbildner (4) mit einer Potentialführungs­ nadel (10) versehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialführungsnadel (10) in leitender Verbindung mit dem Flüssigkeitstropfen-Sammelbehälter (2) steht, wobei der Tropfen über diese Potentialführungsnadel mit dem Potential des Sammelbehälters (2) in Verbindung steht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffang-Elektrode (16, 46) an einen Meßverstärker ange­ schlossen ist, welcher an seinem Ausgang einen Spannungsspit­ zenwert zur Verfügung stellt,
der von dem durch die durch die Ladung des Tropfens hervor­ gerufenen Potentialänderung der Auffang-Elektrode (16) be­ wirkten Spannungssprung abhängt oder zu dem Spannungssprung proportional ist oder
der von dem durch die durch die Tropfenkapazität hervorgeru­ fene Kapazitätsänderung der Auffang-Elektrode (46) bewirkten Spannungssprung abhängt oder zu diesem Spannungssprung pro­ portional ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßverstärker ein Ladungs/Spannungskonverter (20, 48) ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß an den Meßverstärker bzw. Ladungs/Spannungskonverter (20, 48) ein Spannungsspitzenwert-Detektor (24, 50) an­ geschlossen ist, welcher den Spannungsspitzenwert zur nach­ folgenden Auswertung zwischenspeichert.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Potenziereinrichtung (26, 52) zum Potenzieren des Spannungsspitzenwertes mit dem Exponenten 3 vorgesehen ist zur Bereitstellung einer zum Tropfenvolumen linearen Meßgröße.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsspitzenwert-Detektor (24, 50) nach Abruf des Spannungsspitzenwertes rücksetzbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (8) eine die Fallstrecke des Tropfens um­ gebende Feld-Elektrode (14) zur Abschirmung aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, daß eine der Auffang-Elektrode (16) zugeordnete Kompen­ sations-Elektrode (22) vorgesehen ist, die zusammen mit der Auffang-Elektrode (16) einen Kondensator bildet, dessen Kapa­ zität von der Dielektrizitätskonstanten des umgebenden Medi­ ums abhängt und so Kapazitätsänderungen bei Tropfen gleicher Größe durch sich ändernde Dielektrizitätskonstante kompen­ siert.

14. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (12, 62) einen Hochspannungskonverter aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 14, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spannungsquelle (62) über einen hochohmigen Wi­ derstand oder eine Konstantstromquelle mit der Auffang-Elek­ trode (46) verbunden ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des Spitzenwert-Detektors (24, 50) ein Kompa­ rator (30, 56) angeschlossen ist, der bei anstehenden Meß­ werten ein Übergabgeaufforderungs-Signal abgibt, und daß durch ein Übergabebestätigungs-Signal über ein Monoflop (32, 66) der Spitzenwert-Detektor rücksetzbar ist.