DE19750988C2 - Messeinrichtung und Verfahren zum Messen der Schöpfung eines Ionentauschers - Google Patents

Description

Für zahlreiche Prozesse wird enthärtetes Wasser benö­ tigt, d. h. Wasser, bei dem Härtebildner, wie Kalzium-Karbo­ nat, dem Wasser entzogen sind. Andernfalls würde der Härte­ bildner den nachfolgenden Prozessablauf stören oder es wür­ den sich Kalkreste sammeln. Ein alltägliches Beispiel hier­ für sind auch Geschirrspülmaschinen. Wenn diese mit nicht enthärtetem Wasser betrieben werden, verbleiben nach dem Trocknen unschöne Kalkschleier.

Die Enthärtung des Wassers geschieht häufig mit so­ genannten Ionentauscherharzen. Diese Ionentauscherharze sind räumlich vernetzte Polystyrole, die mit geladenen An­ kergruppen an den aromatischen Ringen ausgestattet sind. Die Gruppen bewirken eine starke Polarität des Harzes und werden Festionen genannt. Um die elektrische Neutralität zu wahren, sind entsprechende Gegenionen erforderlich, die durch elektrostatische Anziehung gebunden und deswegen auch ausgetauscht werden können.

Eine besonders weit verbreitete Form von Ionentau­ schern sind solche, die mit Natriumionen arbeiten, das aus dem Kochsalz bei der Regenerierung erhalten wird. Die Kar­ bonathärte wird dann an dem Ionentauscher in Natriumhydro­ karbonat umgewandelt, während das Kalzium im Ionentauscher verbleibt.

Neben Natriumionentauschern sind auch eine Reihe ande­ rer Ionentauscher bekannt, beispielsweise Ionentauscher, die mit Säure- oder Wasserstoff arbeiten.

Aus der Wirkungsweise der Ionentauscher folgt der Um­ stand, dass mit zunehmender Menge an hartem Wasser, das durch den Ionentauscher hindurchläuft, immer mehr Natriu­ mionen aus dem Ionentauscher entfernt und durch Kalziumio­ nen ersetzt werden. Abhängig von der Härte des Wassers, dem Volumen des Ionentauschers und der Menge an durchgeflosse­ nem Wasser ist der Ionentauscher mehr oder weniger schnell erschöpft. Damit er seine Funktion der Wasserenthärtung wieder erbringen kann, muss er regeneriert werden, was im Falle des Natriumionentauschers mit Hilfe einer Kochsalzlö­ sung geschieht, die durch den Ionentauscher hindurchgelei­ tet wird.

Um ein Durchbrechen von hartem Wasser zu vermeiden, muss diese Regeneration rechtzeitig erfolgen. Andererseits bedeutet eine Regeneration des Ionentauschers mit einer Kochsalzlösung eine unnötige Abwasserbelastung, wenn die Regeneration zu einem Zeitpunkt erfolgt, an dem der Ionen­ tauscher bei weitem noch nicht erschöpft ist. Er kann dann die Natriumionen nicht aufnehmen und die Kochsalzlösung fließt unverändert in das Abwasser.

Die auf diese Weise in das Abwasser gelangende Koch­ salzmenge ist nicht unbeträchtlich, denn bei vielen Klein­ prozessen, wie beispielsweise dem oben erwähnten Geschirr­ spülautomaten ist es nicht möglich, aufwendige chemische Messverfahren zu installieren, um zu prüfen, ob eine Rege­ neration erforderlich ist. In der Regel erfolgt bei solchen technischen Kleinprozessen die Regeneration in Abhängigkeit von der Anzahl der Arbeitszyklen unter Berücksichtigung einer groben Schätzung der Wasserhärte.

Es sind auch Filtereinrichtungen bekannt, die adsorp­ tiv arbeiten. Bei diesen Einrichtungen ist es ebenfalls nötig, rechtzeitig zu erkennen, wann das Filter beladen ist und seine Filterwirkung verliert.

Um rechtzeitig festzustellen, wann eine Regeneration des Ionentauscherharzes notwendig ist, andererseits aber unnötige Regenerationsvorgänge zu vermeiden, ist es aus der US-A-4 299 698 bekannt, den elektrischen Widerstand zwi­ schen zwei Elektronen zu messen, die sich in dem Ionentau­ scherbehälter befinden.

Der Ionentauscherbehälter der bekannten Anlage ist mit einem entsprechenden Granulat gefüllt. In das Granulat führt ein Stab, der auf seiner Außenseite zwei elektrisch leitende Elektroden trägt. Die elektrisch leitenden Elek­ troden sind über Anschlussdrähte mit einer Auswerteelek­ tronik verbunden. Die Auswerteelektronik enthält eingangs­ seitig eine Brücke. Einen der Brückenzweige bildet der Wi­ derstand, der zwischen den Elektroden in dem Ionentauscher­ behälter von dem Ionentauscher gebildet ist. Die Brücke wird mit 60 Hz Wechselspannung gespeist, während an der anderen Brückendiagonalen die Messung mit Hilfe eines Differenzverstärkers erfolgt.

Bei dieser Art der Messung der Leitfähigkeit spielt nicht nur die Leitfähigkeit des Ionentauscherharzes eine Rolle, sondern auch die des Wassers, das den Ionentauscher durchströmt. Die Messung kann nicht zwischen der Leitfähig­ keit des Wassers und der veränderten Leitfähigkeit des Io­ nentauschers unterscheiden, weshalb das Messverfahren ver­ hältnismäßig unzuverlässig ist.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein zuverlässigeres Messverfahren zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrich­ tung mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. einem Verfah­ ren mit den Merkmalen des Anspruches 16 gelöst.

Die neue Vorrichtung besteht aus einem Behälter, in dessen Innenraum eine Matrix enthalten ist, die in der Lage ist, Moleküle oder Ionen zu binden. In dem Behälter, der von einem Fluid durchströmt wird, das die gesuchten zu bindenden Mo­ leküle oder Ionen enthält, sind zwei Elektroden angeordnet, und zwar so, dass sich zwischen den Elektroden zumindest ein Teil der Matrix befindet. Durch Messen der elektrischen Para­ meter zwischen den beiden Elektroden lässt sich dann der Beladungszustand der Matrix mit den gesuchten, an der Ma­ trix festgesetzten Molekülen erfassen. Diese elektrischen Parameter können die Leitfähigkeit oder die Dielektrizi­ tätskonstante bzw. der dielektrische Verlustwinkel sein.

Die in dem Behälter befindliche Matrix zum Binden der gesuchten Ionen kann regenerierbar sein, wenn die Anordnung mehrfach verwendbar ist und sich eine geeignete Masse finden lässt. Vorteilhafterweise handelt es sich bei der Ma­ trix um eine Ionentauschermasse.

Die neue Vorrichtung lässt sich insbesondere gut zur Wasserenthärtung verwenden, d. h. die Matrix ist zum Enthär­ ten von Wasser geeignet.

Die Masse sollte einerseits eine große Oberfläche auf­ weisen und andererseits von dem Fluid gut durchströmbar sein. Eine solche Bedingung erfüllt eine granulierte Ma­ trix.

Die Matrix kann vorteilhafterweise aus räumlich ver­ netztem Polystyrol bestehen.

Eine zum Enthärten von Wasser besonders geeignete Ma­ trix weist Ankergruppen auf, die von einer starken Säure abgeleitet sind.

Da mit Hilfe der neuen Vorrichtung im Wesentlichen nur die Dielektrizitätskonstante sowie der dielektrische Ver­ schiebungsstrom, nicht jedoch der Leitwert des Fluids sowie der Matrix zu erfasst wird, ist zumindest eine der Elek­ troden gegenüber der Matrix elektrisch isoliert. Diese Iso­ lation kann durch einen nichtleitenden Überzug leicht be­ werkstelligt werden.

Eine andere Möglichkeit, die Isolation zu erreichen, besteht darin, einen aus einem nichtleitenden Material be­ stehenden Behälter zu verwenden, wobei die eine Elektrode außerhalb des Behälters angeordnet ist. Eine weitere Mög­ lichkeit ist die Verwendung eines Behälters aus einem elek­ trisch leitenden Material, wobei dann entweder die Innenseite des Behälters nichtleitend beschichtet ist oder die andere, sich in dem Behälter befindende Elektrode einen nichtleitenden Überzug aufweist. Die Verwendung eines aus elektrisch leitendem Material bestehenden Behälters hat den Vorteil, dass sich die Anordnung selbst gegenüber Stör­ strahlung von außen abschirmt und Fremdfelder möglichst wenig in den Behälter, d. h. in den Zwischenraum zwischen den beiden Elektroden eindringen können.

Vorteilhafterweise stecken die Elektroden im Wesent­ lichen koaxial ineinander. Diese koaxiale Anordnung ist streng genommen nur bei zylinderförmigen Elektroden mög­ lich. Diese haben jedoch unter Umständen bei kleiner Fläche einen verhältnismäßig großen Abstand voneinander und eine entsprechend geringe Kondensatorkapazität. Um die Kapazität zu vergrößern, können mehrere erste und zweite Elektroden abwechselnd, jedoch immer konzentrisch ineinander angeord­ net sein. Dieselbe Anordnung lässt sich auch erreichen, wenn die erste und die zweite Elektrode mit Abstand vonein­ ander, ähnlich einem Wickelkondensator, aufgewickelt ist. Auch eine solche Anordnung ist im Sinne der vorliegenden Erfindung eine koaxiale Elektrodenanordnung.

Um die Veränderung durch die Beladung der Matrix er­ fassen zu können, ist an die Elektroden eine Kapazitäts­ messeinrichtung angeschlossen. Diese Kapazitätsmesseinrich­ tung weist z. B. eine Anzeigeeinrichtung auf oder einen Sig­ nalausgang zum Steuern weiterer Prozesse, beispielsweise einer Regeneriereinrichtung.

Die Kapazitätsmesseinrichtung ist vorteilhafterweise so gestaltet, dass sie überwiegend nur den Blindanteil, nicht jedoch den Wirkanteil der Impedanz zwischen den beiden Elektroden erfasst.

Die oben genannte Vorrichtung lässt sich in besonders einfacher Weise zum Messen von Ionen verwenden. Bei diesem Verfahren wird eine Matrix bereitgestellt, die in der Lage ist, die zu messenden Ionen zumindest teilweise zu immobi­ lisieren. Ferner wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die Dielektrizitätskonstante der Matrix gemessen.

Um Temperatur- und Leitwerteinflüsse des durchströmen­ den Mediums möglichst zu eliminieren, ist das Messverfahren zweckmäßigerweise als Differnzialmessverfahren ausgestal­ tet. Dabei werden zwei Messelemente verwendet, von denen das eine als Referenzelement dient. Das als Referenz die­ nende Messelement kann beispielsweise undurchströmt sein und mit dem Fluid gefüllt, so dass sich dort die Kapazi­ tätsverhältnisse nicht verändern.

Eine Alternative besteht darin, zwei Messelemente unterschiedlichen Fassungsvermögens hintereinander im Strom des Fluids anzuordnen, wobei das Messelement mit dem klei­ neren Fassungsvermögen stromaufwärts von dem Messelement mit dem größeren Fassungsvermögen angeordnet wird. Bei ei­ ner Durchströmung wird sich das stromaufwärts gelegene Messelement sehr schnell bis zum Sättigungsgrad beladen, so dass dann dort hinsichtlich der Beladung stationäre Ver­ hältnisse eintreten. Die Änderungen der dortigen elektri­ schen Werte sind dann nur noch auf Änderungen des Leitwerts des Fluids bzw. der Temperatur zurückzuführen, die in glei­ cher Weise jedoch auch das andere Messelement beeinflussen, womit sich diese das Messen störende Parameter eliminieren lassen. Vorzugsweise wird bei einer Regeneration auch nur das Messelement regeneriert, das das größere Fassungsvermögen aufweist, um bereits von Anfang an stabile Messver­ hältnisse zu bekommen.

Bei einer Wasserenthärtungsanlage ist es auch möglich, einen Ionentauscher zu verwenden, der im Hauptstrom liegt und keine Elektroden aufweist, während im Nebenstrom ein Messelement angeordnet wird, das mit einer vorbestimmten Fraktion der Fluidmenge durchströmt wird, die durch den Hauptbehälter geleitet wird. Auf diese Weise ist die Bela­ dung des Referenzelementes ein Maß für den Erschöpfunggrad des Hauptbehälters. Eine solche Messeinrichtung ist ins­ besondere bei sehr großen Wasserenthärtungsanlagen von Vor­ teil, bei denen es unmöglich ist, den gesamten Enthärungs­ behälter als Messelement auszubilden.

Es ist ferner möglich, die Messzelle strömungsmäßig hinter dem Hauptbehälter vorzusehen. Die Messzelle bleibt solange im stationären Zustand wie der Hauptbehälter seine Enthärtungsfunktion erbringt. Wenn der Hauptbehälter er­ schöpft ist, wird unbehandeltes Fluid durchbrechen und die elektrischen Werte der Messzelle verändern. Dies kann als Kriterium dafür verwendet werden, dass eine Regeneration oder ein Austausch des Hauptbehälters erforderlich ist.

Im Übrigen sind Weiterbildungen der Erfindung Gegen­ stand von Unteransprüchen.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegen­ stands der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen von immobilisierten Ionen, in einer stark schematisierten perspektivischen Darstellung,

Fig. 2 die Vorrichtung nach Fig. 1, in einem Quer­ schnitt unter Veranschaulichung der Anordnung der Elektro­ den,

Fig. 3 eine Vorrichtung ähnlich Fig. 1, mit gewickel­ ten Elektroden, in einer Schnittdarstellung entsprechend Fig. 2,

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel ähnlich Fig. 1, mit einer außerhalb des Behälters angeordneten Elektro­ de, in einer Schnittdarstellung ähnlich Fig. 2,

Fig. 5 das elektrische Prinzipschaltbild einer Schal­ tung zum Messen der elektrischen Kapazität der Vorrichtung nach einer der Fig. 1 bis 4,

Fig. 6 die Prinzipdarstellung einer Wasserenthär­ tungsanlage mit einer Messzelle im Nebenstrom,

Fig. 7 die Prinzipdarstellung einer Wasserenthär­ tungsanlage mit einer Messzelle im Hauptstrom und

Fig. 8 die Prinzipdarstellung einer Wasserenthär­ tungsanlage mit zwei Messzellen im Hauptstrom.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Vorrichtung 1 veranschau­ licht, die dazu dient, Moleküle oder Ionen zu messen, die mittels eines Fluids durch die Vorrichtung 1 hindurchtrans­ portiert und in der Vorrichtung 1 immobilisiert werden. Die gezeigte Vorrichtung 1 kann überwiegend die Funktion einer Messzelle haben oder sie kann bei entsprechend großem Volu­ men gleichzeitig auch dazu eingerichtet sein, das durch sie hindurchströmende Fluid weitgehend von den zu messenden Molekülen oder Ionen zu befreien. Ein Beispiel für eine solche Anwendung ist ein Ionentauscher.

Zu der Vorrichtung 1 gehört ein im Wesentlichen zylin­ drischer Behälter 2, der einen Innenraum 3 aufweist. Der zylindrische Behälter 2 besteht aus einer zylindrischen Wand 4, die umfangsseitig geschlossen ist sowie zwei Böden 5 und 6, die hermetisch dicht mit der Wand 4 verbunden sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind lediglich aus Gründen der einfacheren Darstellung die beiden Böden 5 und 6 ebene Böden. Bei der praktischen Ausführung sind sie im Interesse einer möglichst gleichmäßigen Strömungsverteilung zumindest angenähert trichterförmig ausgebildet.

In dem Boden 5 ist konzentrisch ein Rohrstutzen 7 eingesetzt, während der Boden 6 konzentrisch einen Rohr­ stutzen 8 enthält. Über die beiden Rohrstutzen 7 und 8 steht der Innenraum 3 strömungsmäßig nach außen hin in Ver­ bindung, d. h. die beiden Stutzen 7 und 8 können als Anschluss-Stutzen für Rohre, Schläuche u. dgl. dienen, wobei einer der beiden Stutzen 7, 8 als Einlassöffnung und der andere der beiden Stutzen 7, 8 aus Auslassöffnung dient.

In dem Innenraum 3 ist, wie insbesondere Fig. 2 erken­ nen lässt, eine zylindrische rohrförmige erste Elektrode 9 angeordnet, die aus einem elektrisch leitenden Material besteht, z. B. einem dünnen nichtrostenden Stahlblech, bei­ spielsweise V4A-Stahl.

Die erste Elektrode 9 ist in dem zylindrischen Innen­ raum 3 koaxial angeordnet und reicht von der Nähe des Bo­ dens 5 bis zur Nähe des Bodens 6. Der Abstand zwischen dem Stirnende der Elektrode 9 und den benachbarten Böden 5 bzw. 6 ist so gewählt, dass sich eine Fluidströmung ausbilden kann, die gleichmäßig sowohl durch die rohrförmige Elek­ trode 9 hindurch als auch an dieser außen vorbei ausbreiten kann. In dem Behälter 2 ist die erste Elektrode 9 mit Hilfe einer Reihe von Streben 11 fixiert. Die Streben 11 sind längs dem Umfang der ersten Elektrode 9 gleichmäßig ver­ teilt und mehrere dieser Gruppen aus Streben 11 befinden sich in Längsrichtung hintereinander, bezogen auf die Länge der Elektrode 9.

Der Durchmesser der Elektrode 9 ist kleiner als der Durchmesser des Innenraums 3, wodurch sich zwischen der Innenseite der Behälterwand 4 und der Elektrode 9 ein Ring­ spalt 12 bildet.

Koaxial zu der ersten Elektrode 9 ist in dem Inneren der ersten Elektrode 9 eine zweite Elektrode 13 angeordnet, deren Durchmesser kleiner ist als die lichte Weite der Elektrode 9. Hierdurch entsteht zwischen der Elektrode 13 und der Elektrode 9 ein weiterer zylindrischer Ringraum 14 und im Inneren der rohrförmigen Elektrode 13 ein zylindri­ scher Raum 15.

Die Befestigung der zweiten Elektrode 13 geschieht mit einer Reihe von Streben 16, die gleichmäßig längs dem Umfang der zweiten Elektrode 13 verteilt sind, wobei mehrere solcher Gruppen in Längsrichtung der zweiten Elektrode 13 angeordnet sind. Die Streben 14 sind einends mit der Elek­ trode 13 und anderenends mit der Elektrode 9 verbunden.

Zumindest die Streben 16 bestehen aus einem elektrisch nichtleitenden Material, damit sie keinen Kurzschluss zwi­ schen der Elektrode 9 und der Elektrode 13 hervorrufen kön­ nen. Zweckmäßigerweise sind auch die Streben 11 aus einem elektrisch nichtleitenden Material hergestellt, damit die Elektrode 9 gegen die Behälterwand 4 elektrisch isoliert ist, falls diese aus elektrisch leitendem Material besteht, was zweckmäßig ist, wenn er gleichzeitig als elektrische Abschirmung gegen Störstrahlung dienen soll.

Die zweite innere Elektrode 13 ist allseitig mit einer nichtleitenden Beschichtung 17 versehen, was durch zwei gestrichelte Linien zu beiden Seiten der die Elektrode 13 symbolisierenden durchgezogenen Linie angedeutet werden soll.

Der Innendurchmesser der Elektrode 13, die Weite des Ringspaltes 14 und die Weite des Ringspaltes 12 sind so gewählt, dass bei einer Durchströmung des Behälters 2, bei­ spielsweise von dem Stutzen 8 zu dem Stutzen 7 hin, gleiche Fluidmengen durch alle Räume strömen. Um dies zu erzwingen, können gegebenenfalls zusätzliche Leitelemente eingebaut sein.

In dem Ringspalt 12, dem Ringspalt 14 und dem Innen­ raum 15 ist eine Matrix 18 gleichmäßig eingefüllt. Die Ma­ trix 18 besteht aus einem granulierten Material, das die Eigenschaft hat, die in dem durchfließenden Fluid enthaltenen Ionen oder Moleküle zu immobilisieren. In den Fig. 1 und 2 ist die Matrix schematisch angedeutet. Wichtig ist, dass die Matrix 18 von dem Fluid durchströmbar ist, also nicht die Ringspalte 12 und 14 sowie den Innenraum 15 ver­ stopft.

Zum Ermitteln der Kapazität des zylindrischen Rings­ paltes 14 und damit der Dielektrizitätskonstanten der Ma­ trix 18 ist die äußere oder erste Elektrode 9 mit einem elektrischen Leiter 19 verbunden, der durch eine Abdichtung 21 nach außen aus dem Behälter herausgeführt ist. Auch die zweite Elektrode 13 ist mit einem elektrischen Leiter 22 verbunden, der elektrisch isoliert durch die erste Elek­ trode 9 hindurchführt sowie durch eine Dichtung 23, die sich in der Behälterwand 4 befindet.

Das Funktionsprinzip ist nachstehend am Beispiel einer Wasserenthärtungseinrichtung erläutert:
Im Falle einer Wasserenthärtungseinrichtung besteht die Matrix 18 aus einem räumlich vernetzten Polystyrol, das mit geladenen Ankergruppen an aromatischen Ringen ausge­ stattet ist. Die Gruppen bewirken eine starke Polarität des Harzes und sind fest mit dem Harz verbunden, weshalb sie auch Festionen genannt sind. Um die elektrische Neutralität zu wahren, sind entsprechende Gegenionen erforderlich. Die­ se sind ausschließlich über elektrostatische Anziehungs­ kräfte gebunden und können ausgetauscht werden. Die elek­ trisch gebundenen Ionen sind Freiionen. Bei Wasserenthär­ tungsanlagen werden die Freiionen durch Natriumionen ge­ bildet, die durch die Härtebildner ersetzt werden, wodurch dem Wasser die Härtebildner in Gestalt der Kalziumionen entzogen werden, die sich an dem Harz festsetzen, während das Natrium in Lösung geht.

Durch den Austausch der Natriumionen gegen Kalziumio­ nen ändert sich die Dielektrizitätskonstante der Matrix 18 in dem zylindrischen Ringspalt 14 und damit die zwischen den Anschlüssen 19 und 22 messbare Kapazität. Das bedeutet, dass die Kapazität ein Maß für die Beladung der Matrix mit Härtebildnern ist.

Grundsätzlich ist es auch denkbar, anstelle der Ionen­ tauschermasse zur Wasserenthärtung auch andere Materialien als Festionen zu verwenden, und zwar solche Materialien, die spezifisch dafür geeignet sind, bestimmte Moleküle zu binden, die das Fluid mit sich führt, das durch den Behäl­ ter 2 hindurchgeleitet wird. So wäre es beispielsweise grundsätzlich denkbar, eine Matrix zu verwenden, die immobilisierte Antikörper trägt, deren Epitope in der Lage sind, sehr selektiv bestimmte komplizierte große Moleküle zu binden und damit schnell messbar zu machen. Auch lässt sich die Anordnung als Filter verwenden.

Es versteht sich, dass die Kapazität zwischen den bei­ den Elektroden 9 und 13 vergrößert werden kann, wenn die Fläche vergrößert wird. Dies kann erreicht werden, indem, abweichend von der Prinzipdarstellung in Fig. 2, mehrere rohrförmige erste Elektroden 9 verwendet werden, wobei in den Zwischenräumen zwischen jeweils zwei benachbarten ers­ ten Elektroden 9 je eine zweite Elektrode 13 eingefügt ist. Sämtliche erste Elektroden werden elektrisch parallelge­ schaltet, ebenso wie sämtliche zweite Elektroden.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Be­ hälterwand 4 selbst eine der beiden Elektroden darstellt.

Im Wesentlichen unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 von dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 dadurch, dass die Elektrode 9 im Inneren des Behälters fehlt und statt dessen die Behälterwand 4 selbst die Funk­ tion der zweiten Elektrode 9 übernimmt.

Eine weitere Möglichkeit, die Elektroden zu gestalten, besteht darin, sie ähnlich wie bei einem Wickelkondensator aufzuwickeln, wie dies Fig. 4 schematisch zeigt. Hierdurch entsteht zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 9, 13 ein spiraliger Innenraum 25, der mit der Matrix 18 voll­ ständig gefüllt ist. Wie die gestrichelten Linien 17 wie­ derum andeuten, ist eine der beiden Elektroden elektrisch isolierend beschichtet, um bei der Messung möglichst nur die (elektrischen) Blindanteile zu erfassen.

Fig. 5 zeigt ein elektrisches Prinzipschaltbild einer Schaltung 28, die dazu geeignet ist, die Kapazität zwischen den beiden Elektroden 9 und 13 zu erfassen. Die Schaltung 28 enthält eine einfache Oszillatorschaltung 29, die dazu dient, ein der Kapazität zwischen den beiden Elektroden 9 und 13 proportionales Frequenzsignal zu erzeugen.

Die Oszillatorschaltung 29 besteht aus zwei Diffe­ renzverstärkern 31 und 32 als aktiven Elementen. Mit einem invertierenden Eingang 33 des Differenzverstärkers 31 ist die Elektrode 19 der Vorrichtung 2 verbunden, während die Elektrode 22 an einen Ausgang 34 desselben Differenzver­ stärkers 31 angeschlossen ist. Von dem Ausgang des Diffe­ renzverstärkers 34 führt ein Widerstand 35 zu einem nicht­ invertierenden Eingang 36 des Differenzverstärkers 32. Der Differenzverstärker 32 ist von seinem Eingang 36 zu seinem Ausgang 37 über einen Widerstand 38 rückgekoppelt. Ferner führt eine Rückkopplung von dem Ausgang 37 über einen Wi­ derstand 39 zu dem Eingang 33 des Differenzverstärkers 31. Die beiden Differenzverstärker 31, 32 liegen an einer ge­ meinsamen Masseleitung 41, die einen Ausganganschluss der Oszillatorschaltung 29 darstellt. Der andere Ausgangsan­ schluss ist der Ausgang 37 des Differenzverstärkers 32.

Mit Hilfe des Differenzverstärkers 31 wird eine Drei­ eckschwingung erzeugt, deren Frequenz der Kapazität zwi­ schen den beiden Elektroden 19 und 22 proportional ist. Mit Hilfe des nachgeschalteten Differenzverstärkers 32 wird diese Dreieckspannung in eine Rechteckspannung gleicher Frequenz umgewandelt. Damit steht zwischen den Anschlüssen 37 und 41 ein elektrisches Signal an, dessen Frequenz der Kapazität zwischen den beiden Elektroden 19 und 22 umge­ kehrt proportional ist. Wenn alle Widerstände die gleiche Größe haben, ergibt sich die Frequenz der Schaltung gemäß der Formel

f = 1/(4.R.C),

wobei gilt
R = der ohmsche Widerstand der Widerstände 35, 38 und 39,
C = elektrische Kapazität zwischen den Elektroden 19 und 22.

Das so erhaltene elektrische Frequenzsignal lässt sich ohne weiteres in einem nachgeschalteten Mikroprozessor 42 messen. Der Mikroprozessor 42 enthält Tabellen, die z. B. experimentell ermittelt wurden und den Zusammenhang zwischen der Frequenz und dem Beladungs- bzw. dem Erschöp­ fungszustand der Matrix 18 wiedergeben. Der Mikroprozessor 42 ist auf diese Weise in der Lage, auf einem Display, das an seinen Ausgang 43 angeschlossen ist, anzugeben, wie weit die Matrix 18 mit den gesuchten Molekülen oder Ionen be­ laden ist. Im Falle einer Wasserenthärtungsanlage ist es möglich, in Abhängigkeit von einem erreichten Frequenzwert festzulegen, dass nunmehr eine Regeneration der Matrix 18 mit einer Kochsalzlösung erforderlich ist. Über den Ausgang 43 wird die Regeneration ausgelöst. Auch das Ende der Rege­ neration ist auf diese Weise erfassbar.

Fig. 6 zeigt als Anwendungsbeispiel für die neue Vor­ richtung 1 eine Wasserenthärtungsanlage 51. Die Wasserent­ härtungsanlage 51 weist einen Wasserzulauf 52 auf, der an einen Einlass eines Verteilerventiles 53 angeschlossen ist. Das Verteilerventil 53 weist zwei Abgänge 54 und 55 auf und ist so gestaltet, dass an dem Abgang 55 ein Wasserstrom entsteht, der mengenmäßig dem Wasserstrom an dem Abgang 54 exakt proportional ist, jedoch nur ein Bruchteil desselben.

Mit dem Abgang 54 des Verteilerventils 53 ist ein Zu­ lauf 56 eines Ionentauscherbehälters 57 verbunden. Der Io­ nentauscherbehälter 57 enthält ein zur Wasserenthärtung geeignetes Ionentauscherharz. Am unteren Ende des Ionentau­ scherbehälters 57 geht eine wegführende Leitung 58 weg, die mit einem Einlass 59 eines Mischers 61 verbunden ist. Der Mischer 61 weist einen Auslass 62 auf, an den eine wegfüh­ rende Wasserleitung 63 angeschlossen ist. Im Nebenstrom zu dem Ionentauscherbehälter 57 liegt eine Vorrichtung 1, die nach einem vorherigen Ausführungsbeispiel ausgestaltet sein kann. Sie ist mit ihrem Einlass-Stutzen 7 an den Abgang 55 über eine Leitung 64 und mit ihrem Auslaufstutzen 8 über eine Leitung 65 an einen Eingang 66 der Mischeinrichtung 61 angeschlossen.

Die Vorrichtung 1 dient als Messzelle und enthält das­ selbe Ionentauscherharz wie der Ionentauscherbehälter 57.

Die gezeigte Anordnung arbeitet wie folgt:
Mit Hilfe des Verteilerventils 53 wird der über die Leitung 52 ankommende Wasserstrom so aufgeteilt, dass die größere Menge an Ionentauscherharz in dem Ionentauscherbe­ hälter 57 etwa zur selben Zeit vollständig beladen oder erschöpft ist wie das Ionentauscherharz in der Messzelle 1. Auf diese Weise wird erreicht, dass die im Nebenstrom zu dem Ionentauscherbehälter 57 vorhandene Messzelle 1 während des Betriebs genau denselben Beladungszustand aufweist wie das Ionentauscherharz in dem Ionentauscherbehälter 57. Mit Hilfe der an die Messzelle 1 angeschlossenen Auswerteschal­ tung 28 entsprechend Fig. 5 wird der Beladungszustand des Ionentauscherharzes in der Messzelle 1 durch Karbonationen und andere Härtebildner erfasst. Sobald die Auswerteschal­ tung einen bestimmten Beladungszustand erkennt, wird über die Speiseleitung 52 eine Kochsalzlösung zugeführt, wodurch gleichzeitig der Ionentauscherbehälter 57 als auch die Messzelle 1 wieder regeneriert werden.

Wie Fig. 7 zeigt, kann die Messzelle 1 auch im Haupt­ strom angeordnet sein. Bei dieser Ausführungsform ist die Speiseleitung 52 direkt mit dem Einlass 56 des Ionentau­ scherbehälters 57 verbunden. Dessen Ausgang ist über die Leitung 58 mit dem Einlass-Stutzen 7 der Messzelle 1 ver­ bunden, während die wegführende Wasserleitung 63 unmittel­ bar an den Auslass-Stutzen 8 angeschlossen ist.

Während mit der vorhergehenden Anordnung jeweils der aktuelle Beladungszustand des Ionentauscherbehälters 57 ermittelt werden kann, kann mit der Anordnung im Hauptstrom gemäß Fig. 7 nur gemessen werden, wann das Ionentauscher­ harz in dem Ionentauscherbehälter 57 praktisch erschöpft ist. Solange das Harz in dem Ionentauscherbehälter 57 noch in der Lage ist, die Härtebildner dem Wasser zu entziehen, bleibt die Messzelle 1 in einem Zustand entsprechend keiner Beladung des Ionentauscherharzes. Sobald das Ionentauscher­ harz in dem Ionentauscherbehälter 57 jedoch erschöpft ist, bricht hartes Wasser durch den Ionentauscherbehälter 57 durch und beginnt, mehr oder weniger schnell die Messzelle 1 mit Härtebildnern zu beladen, womit sich deren elektri­ sche Kapazität entsprechend schnell ändert. Je nachdem, wie groß das Volumen der Messzelle 1 bemessen ist, kann die Anlage entweder noch weiter betrieben werden oder muss um­ gehend auf Regenerierung umgeschaltet werden.

Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 6 und 7 wird die Messzelle 1 als Absolutmesszelle verwendet, d. h. Ver­ änderungen der Dielektrizitätskonstanten des durchfließen­ den Wassers gehen unmittelbar in die Messung ein. Wenn dies verhindert werden soll, kann die Anordnung nach Fig. 8 ein­ gesetzt werden. Diese Anordnung entspricht grundsätzlich der Anordnung nach Fig. 7 mit der Einschränkung, es sind zwei Messzellen 1a und 1b nötig, wobei die Messzelle 1a im Zulauf vor dem Ionentauscherbehälter 57 angeordnet ist, während die Messzelle 1b sich am Ausgang befindet.

Beim Betrieb der Wasserenthärtungsanlage nach Fig. 8 wird wegen der verhältnismäßig kleinen Kapazität die Mess­ zelle 1a sehr bald vollständig beladen sein und keine Här­ tebildner aus dem Wasser mehr aufnehmen. Sie kann damit als Referenzzelle dienen, mit der lediglich Änderungen der Di­ elektrizitätskonstanten des durchströmenden Wassers gemes­ sen werden. Somit ist es möglich, an der Messzelle 1b eine mit Hilfe der Messzelle 1a korrigierte Messung vorzunehmen, wobei Störgrößen zufolge Änderung der Dielektrizitätskon­ stante des Wassers eliminiert sind und mit Hilfe der Mess­ zelle 1b nur noch die Änderung der Dielektrizitätskonstante des mehr oder weniger beladenen Ionentauscherharzes erfasst wird.

Eine Messzelle enthält eine Matrix, die in der Lage ist, aus einem durchströmenden Medium oder Fluid bestimmte Moleküle herauszuziehen und an der Matrix zu immobilisie­ ren. In der Matrix sind Elektroden eingebettet, die als Kondensatorelektroden wirken und mit deren Hilfe die Di­ elektrizitätskonstanten der Matrix erfasst wird. Wenn eine Matrix verwendet wird, bei der sich die Dielektrizitätskon­ stante verhältnismäßig stark ändert, sobald die Matrix mit den entsprechenden Molekülen, die dem Fluid entzogen werden sollen, beladen ist, kann diese Anordnung dazu verwendet werden, den Beladungszustand der Matrix zu erfassen. Die Messzelle eignet sich insbesondere für Filteranlagen, die nach dem Ionentauscherprinzip arbeiten, oder für Wasser­ enthärtungsanlagen bzw. kann selbst den eigentlichen Wasserenthärtungsbehälter darstellen, in dem das zur Was­ serenthärtung erforderliche Ionentauscherharz enthalten ist. Durch Erfassen der Kapazitätsänderung kann die Rege­ neration gezielt in Abhängigkeit vom Beladungszustand ge­ steuert werden.

Claims (22)

1. Vorrichtung oder Messzelle (1) zum Messen von Molekü­ len oder Ionen,
mit einem Behälter (2), der einen Innenraum (3) auf­ weist, in den eine Einlassöffnung (7, 8) sowie eine Auslass­ öffnung (7, 8) münden und der von der Einlassöffnung (7, 8) zu der Auslassöffnung (7, 8) von einem die zu messenden Moleküle oder Ionen mit sich führenden Fluid durchströmbar ist,
mit einer in dem Behälter (2) befindlichen Matrix (18), die von dem Fluid durchströmbar ist und die in der Lage ist, die Moleküle oder Ionen zumindest zeitweise zu immobilisieren,
mit einer ersten Elektrode (9), sowie
mit einer zweiten Elektrode (13), die von der ersten Elektrode (9) beabstandet ist und mit der ersten Elektrode (9) einen Zwischenraum (14, 25) begrenzt, wobei sich in dem Zwischenraum (14, 25) zwischen den beiden Elektroden (9, 13) zumindest ein Teil der Matrixmasse (18) befindet,
wobei wenigstens eine der beiden Elektroden (9, 13) gegenüber der Matrix (18) elektrisch isoliert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (18) regenerierbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (18) von einer Ionentauschermasse gebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (18) zum Enthärten von Wasser geeignet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (18) granuliert ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (18) aus einem räumlich vernetzten Polysty­ rol besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (18) von einer sauren Ionentauschermasse gebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Elektroden (9, 13) gegenüber der Matrix (18) elektrisch isoliert sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Elektroden (9, 13) außerhalb des Behälters (2) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Elektroden (9, 13) von wenigstens einem Wandabschnitt (4) des Behälters (2) gebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Elektrode (9, 13) zylin­ derförmig sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (9, 13) koaxial ineinander stecken.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (9, 13) ähnlich einem Wickelkondensator gemeinsam spiralförmig aufgewickelt sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorrichtung (1) eine Kapazitätsmesseinrichtung (28) zugeordnet ist, die an die Elektroden (9, 13) ange­ schlossen ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitätsmesseinrichtung (29) eine Anzeigeein­ richtung aufweist.

16. Verfahren zum Messen von Ionen, bei dem
eine Matrix (18) bereitgestellt wird, die in der Lage ist, die zu messenden Moleküle oder Ionen zumindest zeit­ weise zu immobilisieren, und
die Dielektrizitätskonstante der Matrix (18) gemessen wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Dielektrizitätskonstante unter Verwendung von we­ nigstens zwei Elektroden (9, 13) gemessen wird, zwischen denen sich zumindest ein Teil der Matrixmasse (18) befin­ det.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Dielektrizitätskonstante unter Verwendung eines Referenzmessverfahren gemessen wird, dass zwei im Wesent­ lichen gleich aufgebaute Messelemente (1a, 1b) verwendet werden, von denen eines als Referenzelement (1a) verwendet wird.

19. Wasserenthärtungsanlage
mit einem von Wasser durchströmten Behälter (57), der einen Einlass (56) sowie einen Auslass (58) aufweist,
mit einer in dem Behälter (57) befindlichen Ionentau­ schermasse, die regenerierbar ist, und
mit einer Vorrichtung (1) zum Messen von Ionen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15.

20. Wasserenthärtungsanlage nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zum Messen von Ionen im Nebenstrom zu dem Behälter (57) liegt.

21. Wasserenthärtungsanlage nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zum Messen von Ionen im Hauptstrom zu dem Behälter (57) liegt.

22. Wasserenthärtungsanlage nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1a) zum Messen von Ionen im Hauptstrom zu dem Behälter (57) strömungsmäßig vor diesem und eine weitere Vorrichtung (1b) ebenfalls im Hauptstrom zu dem Behälter (57), jedoch strömungsmäßig da­ hinter liegt.