DE19706190A1 - Computerunterstütztes Meßgerät zur Bestimmung des Schwefeldioxidgehaltes in flüssigen Medien - Google Patents

Computerunterstütztes Meßgerät zur Bestimmung des Schwefeldioxidgehaltes in flüssigen Medien

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Description

Diese Erfindung betrifft ein Gerät entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Um eine für den Benutzer komfortable und exakte Ermittlung des SO2-Gehalts einer Lösung zu ermöglichen, sollte das Gerät einen möglichst geringen Aufwand zur Vorbereitung der Messung in Anspruch nehmen, sowie kostengünstig sein und wenig Zeit zum Messen benötigen.
Die bisherigen Meßverfahren basieren hauptsächlich auf sehr umständlichen chemischen Reaktionen bzw. Meßverfahren (Iodometrie; Colorimetrie; Oxidation; gasempfindliche Elektroden; über die Polarität; Reaktion mit Pararosanilin; enzymatisch oder mit Hilfe von Gaschromatographie [H.F. LINSKENS, J.F. JACKSON; Modern Methods of Plant Analysis, Vol. 6: Wine Analysis, Springer-Verlag 1988]). Alle diese Bestimmungsverfahren sind nicht besonders empfindlich, sind sehr umständlich und brauchen teilweise viel Zeit. Zudem sind die Anschaffungskosten der Geräte sehr hoch und die Effizienz der bisher bekannten Bestimmungsverfahren ist sehr gering.
Die Reaktion von Triphenylmethanfarbstoffen mit SO2 ist zwar schon bekannt, wurde aber weder genauer auf die Reaktion hin untersucht, noch wurde der Reaktionsablauf optimiert, d. h. man hat noch nicht versucht über die Entfärbungsreaktion dieser Farbstoffe den SO2-Gehalt zu ermitteln.
Aufgabe dieser Erfindung ist es, den Schwefeldioxidgehalt von flüssigen Medien sehr präzise, ohne großen Aufwand und in kurzer Zeit zu bestimmen. Zudem sollten die Meßergebnisse über einen Rechner verwertet werden können, was eine weitere Vereinfachung bedeuten würde. Das Meßgerät sollte auch über diesen Rechner angesteuert werden können. Das Meßgerät soll aber auch ohne externe Ansteuerung funktionieren.
Dieses Meßgerät könnte u. a. in der Weinanalyse eine bedeutende Rolle spielen.
Diese Aufgabe wird durch ein Meßgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dieses Meßgerät zeichnet sich dadurch aus, daß man in sehr kurzer Zeit mit wenig Vorbereitungsaufwand sehr genaue Meßergebnisse erzielen kann. Ein Vorteil dieses Gerätes besteht auch darin, die Meßergebnisse in einen Rechner einzulesen und zu bearbeiten, sowie das Meßgerät mit einem Rechner zu steuern. Dies erleichtert die Handhabung des Gerätes und liefert einen hohen Bedienungscomfort. Zudem ist es auch möglich, das Meßgerät ohne externen Rechner zu benutzen, hierzu besitzt es eine interne Steuerung. Die Meßergebnisse werden hierbei auf einem Display ausgegeben.
Ein weiterer Vorteil dieses Gerätes besteht auch darin, daß durch die kompakte Größe nur wenig Stellplatz in Anspruch genommen und durch das geringe Gewicht eine gute Mobilität gewährleistet wird.
Die Entfärbungsreaktion läuft sehr exakt und reproduzierbar ab, mit einem nur sehr geringen Fehler. Zudem ist diese Reaktion sehr schnell und läßt sich sehr einfach handhaben.
Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung ist es, daß die Probe nur kurzzeitig durchleuchtet wird, da bei längerer Bestrahlung der Probe das Meßergebnis verfälscht wird. Auch der Empfängerbaustein wird nur kurzzeitig eingeschalten, was eine längere Lebensdauer dieser Bausteine garantiert.
Für die Durchleuchtung der Probe wurde eine sehr leistungsstarke Leuchtdiode einer definierten Wellenlänge verwendet. Der Vorteil besteht hierbei, daß die Kosten und der Aufwand sehr niedrig gehalten werden und daß eine konstante Leuchtintensität über einen langen Zeitraum erreicht wird. Dies wird auch noch dadurch gefördert, daß die Leuchtdiode nur kurzzeitig, d. h. nur während jeder Messung leuchtet.
Der hier verwendete Licht-Frequenz-Wandler (TSL-230) ist programmierbar, d. h. er ist auf unterschiedliche Lichtintensitäten einstellbar (als Grundeinstellung) und hat zudem noch am Ausgang verschiedene Teilerverhältnisse zur Auswahl.
Eine hochgenaue Torsteuerung für den Frequenzzähler sorgt dafür, daß die Meßergebnisse reproduzierbar sind.
B) Beschreibung
Das Vorbereiten der Proben basiert auf einer Entfärbungsreaktion von Triphenylmethan­ farbstoffen mit SO2 unter besonderen von uns vorgegebenen Bedingungen:
Vorbereitung der Farbstofflösung zur Bestimmung von SO2: (alle Messungen bei Raumtemperatur)
120 mg Wasserblau
7,5 g KH2PO4
2,5 g K2HPO4 (zur pH-Wert Einstellung)
1000 ml H2Odest.
ca. 1 Monat stehen lassen (die Lösung ist auch noch danach längere Zeit verwendbar).
10 ml der Wasserblaulösung in einem Reagenzglas mit 2 ml H2Odest. versetzen und exakt nach 10 min. messen (ergibt Extinktion E1*)
10 ml dieser Wasserblaulösung in einem Reagenzglas mit 2 ml der zu bestimmenden Lösung versetzen und exakt nach 10 min. messen. (ergibt Extinktion E2*)
2 ml der zu bestimmenden Lösung mit 10 ml H2Odest. verdünnen. (ergibt Extinktion EW)
Eine Küvette mit Wasser durchmessen (ergibt Extinktion EH2O)
Die tatsächliche Extinktion ergibt sich:
E1 = E1*-EH2O
E2 = E2*-EW-EH2O.
Die SO2-Konzentration läßt sich aus der Extinktionsdifferenz zwischen E1 und E2 über eine Funktion ausrechnen.
Die Anlagerung von SO2 an den einen Triphenylmethanfarbstoff geschieht wie im folgenden dargestellt:
Wasserblau besitzt folgende Struktur:
Die Reaktion kann mit noch vielen weiteren Triphenylmethanfarbstoffen durchgeführt werden, allerdings hat sich nach unseren Versuchen ergeben, daß Wasserblau hierfür am besten geeignet ist.
Das Meßgerät
Grundprinzip: Ein Lichtstrahl einer definierten Wellenlänge (590 nm) wird durch eine Probe geschickt und der geschwächte Lichtstrahl mit Hilfe eines Licht-Frequenz-Wandlers in eine Frequenz umgewandelt. Diese Frequenz wird mit einem durch eine zeitliche Torschaltung gesteuerten Frequenzzähler gemessen (Torzeit = 0,1 sec.) und das Ergebnis über eine Multiplexer-Schaltung auf den Schnittstellenanschluß des Meßgerätes gelegt. Hier kann das Ergebnis von einem externen Rechner abgefragt werden. Zudem wird der gemessenen Wert auf eine 7-Segment-Anzeige gegeben, welche dann das Meßergebnis anzeigt.
Die Leuchtdiode und der Licht-Frequenz-Wandler werden durch einen Impuls zur Messung angeschaltet, nach der Messung wieder ausgeschaltet. Dies garantiert eine längere Lebensdauer der Halbleiterbausteine und verhindert eine Verfälschung des Meßergebnisses, da Licht die chemische Reaktion auf längere Zeit gesehen beeinflußt. Die Schaltung kann entweder über eine interne Steuerung die Messungen durchführen, oder aber durch einen extern angeschlossenen Rechner gesteuert werden.
Die gemessene Frequenz läßt sich in die zugehörige Extinktion umrechnen. Aus der Extinktionsdifferenz zweier Messungen läßt sich die Konzentration an SO2 sehr präzise bestimmen.
Die Schaltungselemente sind im folgenden näher erläutert (Schaltpläne: siehe Anlage)
Codierung
Um mit dem Computer über möglichst wenig Leitungen und mit geringem Aufwand Befehle an die Baugruppen geben können, haben wir das Prinzip des Bussystems mit einer Codierung verwendet. Mit dem Signal vom Computer auf 4 - "Kommandoleitungen" wird angegeben, welche Baugruppe über das "Start" oder "Run" Signal angesprochen werden soll.
Die einzelne Codierung der Baugruppe ist bei allen identisch. Die Erklärung bezieht sich jedoch auf den Schaltplan der LED-Ansteuerung.
Der Code wird in Binärform über die DIP-Schalter [S4] angegeben. Sind sie offen, dann liegt der entsprechenden Eingang des ICs39 [XOR] über einen 10 kΩ Widerstand an 5V (HIGH). Ist er jedoch geschlossen, dann fließt der Strom auf Masse am IC vorbei (LOW).
Die Kommandoleitungen liegen ebenfalls am IC39. Sind die Zustände der Kommandoleitung und des entsprechenden am Schalter gleich so ist der jeweilige Ausgang des IC 39 auf LOW. Die 4 Leitungen werden über einen Inverter [IC40] auf ein AND [IC41] gegeben. Wenn die Kommandoleitungen gleich dem eingestellten Code sind, sind alle Leitungen zum IC41 HIGH und der Ausgang 3Y (Check) auf HIGH.
Das Signal Check wird verwendet, um dem Computer zu anzugeben, ob die Baugruppe ansprechbar ist.
Ist Check = 1 und gibt der Computer über "Run" einen HIGH-Impuls, so wird der Eingang des Flip-Flops [IC42] über Ausgang 4Y [IC41] HIGH.
Das IC42 dient dazu, um mit einem Impuls die entsprechende Schaltung über 1Q einzuschalten und bei einem weiteren Impuls die Schaltung zurückzusetzen. Ebenfalls kann man das IC42 und somit die entsprechende Schaltung über einen LOW-Impuls über die negierte "Reset"- Leitung zurücksetzen.
LED-Ansteuerung
Liegt am Ausgang der Codierschaltung 1Q [IC42] ein HIGH-Signal, so schaltet der Transistor [T1] durch und die LED [D3] leuchtet.
Über das Potentiometer [P1] ist der Strom für die LED und somit deren Helligkeit einstellbar.
Licht-Frequenzwandler-Ansteuerung
Der Licht-Frequenzwandler-Baustein (TSL-230) [IC47] wird aktiv, wenn OE LOW ist. Dies erreicht man durch das Negieren des Ausgangs 1Q [IC46] (der Codierschaltung). Ist IC47 aktiv, dann liegt an Ausgang 1Q die Frequenz f entsprechend des Lichteinfalls auf die reaktive Oberfläche. Durch Jumper [JP1. .JP4] kann man die Empfindlichkeit und das Teilerverhältnis der Ausgangsfrequenz einstellen.
manuelle-/PC-Messung
Mit dem Schaltkreis dieser Karte, ist es möglich, die Signale des PCs zu simulieren, d. h. man kann auch ohne PC Messungen durchführen. Jedoch erhält man nur den ermittelten Frequenzwert auf dem Display, keine Frequenz-Differenz und man muß die nachfolgenden Umrechnungen der Frequenzwerte extern durchführen.
Da es nicht geht, die "Kommando"-Leitungen des PCs mit denen dieser Schaltung zu verbinden, müssen diese explizit verknüpft werden. Dies geschieht mit einer OR-Verknüpfung [IC13] bei der die ankommenden Signale von Karte oder PC auf die "Kommandoleitungen" (Code 1. .4) des Busses gegeben werden.
Über die vorgeschalteten AND-Verknüpfungen [IC12, IC14] wird es vermieden, daß sich die beiden Signale überlagern. Ist Schalter S2b geschlossen, so werden Signale vom PC über das IC14 an das IC13 übertragen. Ist jedoch Schalter S2a geschlossen, gelangen die Signale der Schaltung auf die "Kommandoleitungen".
Der Beginn der manuellen Messung wird mit Taster [S3] ausgelöst. Ist er gedrückt, liegt der Schmitt-Trigger-Eingang 1B des Monoflops [IC3] auf LOW. Ein Wechsel an diesem Eingang von LOW auf HIGH hat einen Startimpuls zur Folge. Dieser setzt den Ausgang Q des Monoflops [IC4] auf HIGH. Somit wird ein Resetimpuls an IC7 und IC10 übergeben. Gleichzeitig wird das Gatter für den Zähler IC7 geöffnet, dieser zahlt zunächst bis zur Zahl 0110, dann zur Zahl 0011. Nach diesem Durchgang wird das Gatter wieder geschlossen. Diese Zahlenfolge ist zur Ansteuerung der Steckkarten verantwortlich (über IC12 und IC13 auf "Kommandoleitungen").
Durch das Monoflop [IC11] wird bei jedem Takt ein HIGH-Impuls auf die "Run"-Leitung gegeben.
7-Segment-Ansteuerung und Anzeige
In dieser Schaltung wird der Wert der Zählerreihe über 7-Segment-Anzeigetreiber für die Anzeige umgewandelt.
Über die Leitungen [Aa. .Ad,. .,Ea. .Ed] von den Ausgängen der Zahlerbausteine [IC20, IC24, IC29] gelangt der gezählte Wert an die Anzeigetreiber, die die 7-Segmentanzeigen [LD1. .LD5] ansteuern.
Frequenzzähler
Der Frequenzzahler ermittelt den Frequenzwert des Licht-Frequenzwandlers und stellt ihn den Anzeigetreibern und dem PC zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung.
Durch ein Monoflop mit Schmitt-Trigger-Eingang [IC28] wird das "Run"-Signal der Codier­ schaltung verlängert, damit sich die Zähler vor der Messung einpendeln können. Durch dieses Delay [von IC28 über IC21] erhalten die Zähler zwar an ihrem Eingang die zu messende Frequenz, werden aber auf reset gehalten, bis das Delay abgelaufen ist. Dieses Delay liegt am Monoflop-[IC21]-Eingang B1 an, welches das Gatter (Tor) sowohl für den Timer [IC15, IC16] als auch für die Zählerbausteine [IC20, IC24, IC29, IC30, IC31] öffnet.
Das Gatter ist so lange geöffnet, bis der Zehnerzähler [IC15] auf 99 gezählt hat (0,1 sec.). In dieser Zeit, kann die Frequenz f vom Licht-Frequenzwandler [IC47] von den Zählern [IC20, IC24, IC29 bzw. IC30, IC31] gezählt werden.
IC20, IC24, IC29 sind Zehnerzähler zur Ausgabe des Frequenzwertes auf der LED-Anzeige.
IC30, IC31 liefern den Frequenzwert in binärer Form für einen Multiplexer [IC32], der vom Computer angesteuert [Eingänge A. .D] den angelegten 16 Bitwert bitweise auf Ausgang WG (DOUT) an den PC ausgibt.
Spannungsversorgung
Die Spannungsversorgung dieses Gerätes erfolgt über ein externes Netzgerät mit Gleich- oder Wechselspannung von ca. 9V und einer Leistung von ca. 1,2A.
Da dieses Gerät ohne Optokoppler an der parallelen Schnittstelle betrieben wird, mußten wir zur Sicherung dieser und der sicheren Versorgung der einzelnen Baugruppen eine interne Spannungsregelung integrieren.
Diese befindet sich auf der Grundplatine.
Die Versorgungsspannung wir zuerst mit einen Brückengleichrichter gleichgerichtet, und mit den Elektrolytkondensatoren [CV1. .CV3] geglättet. Diese Grundspannung von ca. 9V wird mit Hilfe eines Festspannungsreglers auf 5V gebracht.
Der Keramikkondensator [CV4], der Tantalkondensator [CV5], sowie der Elektrolytkondensator [CV6] dienen zur Glättung der Gleichspannung. Der Tantalkondensator verhindert ein "Schwingen" des Spannungsreglers. Um Spannungsschwankungen zu unterdrücken, befindet sich in der Schaltung bei nahezu jedem schaltenden IC ein Abblockkondensator.
Da diese Schaltung von der Menge der verwendeten Bauteile und der daraus folgenden Größe relativ kostspielig ist, können Teile der Schaltung in hochintegrierte programmierbare Speicherbausteine übertragen werden, was eine effizientere Herstellung erlaubt.
Anstelle der Verwendung eines Licht-Frequenz-Wandlers bestünde auch noch die Möglichkeit, einen Licht-Spannungswandler zu verwenden, wobei sich hier ein Problem der Genauigkeit auftut, d. h. man müßte einen hochauflösenden A/D-Wandler benutzen, um exakte Meßergebnisse zu erzielen.

Claims (11)

1. Computerunterstütztes Meßgerät zur Bestimmung des Schwefeldioxidgehaltes in flüssigen Medien, hierbei wird der Licht-Frequenzwandler TSL-230 als Empfängerbaustein eingesetzt, dadurch gekennzeichnet, daß eine exakte Bestimmung der Schwefeldioxid­ konzentration mit wenig Aufwand durch die Messung der Extinktionsdifferenz zwischen einer Farbstofflösung vor dem Hinzugeben von der zu bestimmenden Lösung und nach Hinzugabe der SO2-haltigen Lösung (wobei die Anfangsfarbstoff­ konzentration gleich bleiben muß) durchgeführt wird. Hierzu wird die Intensität des Lichtstrahls nach Austritt aus der Probe mit dem Licht-Frequenz-Wandler in eine Frequenz umgewandelt. Der Lichtstrahl wird von einer Leuchtdiode mit besonders hoher Leuchtstärke erzeugt. Diese Frequenz wird mit Hilfe einer zeitgesteuerten Torschaltung in einem Frequenzzahler gemessen und über einen Multiplexer auf die Schnittstelle dieses Meßgerätes gegeben. Ein externes Gerät kann diese Daten auslesen und verarbeiten. Zudem kann man dieses Meßgerät mit einem externen Gerät ansteuern.
Die Messungen werden unter Verwendung einer gepufferten Wasserblaulösung durchgeführt, welche durch das SO2 entfärbt wird und deren Extinktionsdifferenz, die aus den gemessenen Frequenzwerten errechnet wird, zur Ermittlung der Konzentration an SO2 in der zu bestimmenden Lösung dient.
2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Frequenzzähler ermittelte Zahl auf einem Display dieses Gerätes wiedergegeben wird.
3. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät über eine interne Steuerung verfügt, d. h. die Meßroutinen können auch intern ablaufen und müssen nicht von einem externen Gerät vorgegeben werden.
4. Meßgerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung des Schwefeldioxidgehaltes intern errechnet werden kann.
5. Meßgerät nach einem der vorigen Ansprüche, unter Verwendung der bekannten Entfärbung von Triphenylmethanfarbstoffen (auch Triphenylcarbinolfarbstoffe genannt) mit SO2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfärbungsreaktion in einer speziell aufbereiteten, gepufferten Farbstofflösung stattfindet, hier können sowohl Wasserblau, als auch alle anderen Triphenylmethanfarbstoffe Verwendung finden. Eine definierte Zeitspanne zwischen Zugabe von SO2 und dem Messen muß hierbei eingehalten werden, sowie eine definierte Wellenlänge.
6. Meßgerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der SO2-Konzentration aus der Extinktionsdifferenz nicht näherungsweise linear berechnet wird, sondern eine Funktion der Berechnung der SO2-Konzentration zu Grunde gelegt wird.
7. Meßgerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Lichtintensität nach Durchstrahlen der Küvette auch mit Hilfe eines Licht-Spannungs-Wandlers erfolgen kann, dessen Wert mit einem A/D-Wandler ausgelesen wird
8. Meßgerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät durch Verwendung hochintegrierter programmierbarer Bausteine sehr klein und kostengünstig hergestellt werden kann als Ersatz der Verwendung konventioneller Digitalbausteine/Analogbausteine.
9. Meßgerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät durch Austauschen der Lichtquelle zur Bestimmungen anderer Substanzen dienen kann oder auch wiederum zu einer SO2- Bestimmung über ein anderes Verfahren.
10. Meßgerät nach einem der vorigen Ansprüche, unter Verwendung der bestehenden Technik des Durchstrahlens von Licht durch einen Filter, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät unter Verwendung eines einstellbaren Filters bzw. eines Filters mit vorgegebener Wellenlänge und einer Lampe mit einem breiten Spektrum als ein Universalmeßgerät verwendet werden kann.
11. Meßgerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der Lichtquelle (zum Durchstrahlen der Probe) regelbar ist, d. h. man kann somit das Meßgerät kalibrieren.
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