DE202011102629U1

DE202011102629U1 - Leitfähigkeitssensorstation mit Reinigungsfunktion für die Elektrodenoberflächen des Leitfähigkeitssensors

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Publication number: DE202011102629U1
Application number: DE201120102629
Authority: DE
Original assignee: Judo Wasseraufbereitung GmbH
Current assignee: Judo Wasseraufbereitung GmbH
Priority date: 2011-06-09
Filing date: 2011-06-09
Publication date: 2012-09-14
Anticipated expiration: 2021-06-10

Abstract

Leitfähigkeitssensorstation, umfassend – einen Leitfähigkeitssensor (13) mit wenigstens zwei Messelektroden (14, 15), und – eine Spannungsquelle, mit der die Messelektroden (14, 15) mit einem Elektrolysestrom beaufschlagt werden können, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle eine Gleichspannungsquelle (GQ) ist, an die die Messelektroden (14, 15) des Leitfähigkeitssensor (13) als Anode angeschlossen sind, dass die Leitfähigkeitssensorstation eine weitere Elektrode (19) umfasst, die nicht zum Leitfähigkeitssensor (13) gehört, dass die weitere Elektrode (19) als Kathode an die Gleichspannungsquelle (GQ) angeschlossen ist, und dass eine Gleichspannung URB der Gleichspannungsquelle (GQ) größer ist als die Zersetzungsspannung von Wasser.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leitfähigkeitssensorstation, umfassend
– einen Leitfähigkeitssensor mit wenigstens zwei Messelektroden, und
– eine Spannungsquelle, mit der die Messelektroden mit einem Elektrolysestrom beaufschlagt werden können.
Eine solche Leitfähigkeitssensorstation ist bekannt geworden durch die DE 103 09 769 A1 .
Leitfähigkeitssensoren werden dazu eingesetzt, auf einfache Weise Eigenschaften (insbesondere den Ionengehalt) einer zu untersuchenden (typischerweise wässrigen) Messlösung zu bestimmen. Leitfähigkeitssensoren werden insbesondere dazu eingesetzt, die Härte von Wasser zu bestimmen; hierbei wird mittels einer Kalibrierfunktion die Leitfähigkeit in eine Härte umgerechnet. Eine so ermittelte Wasserhärte kann beispielsweise zur Steuerung einer Wasserverschneidung eingesetzt werden, so dass eine bestimmte Mischwasserhärte erhalten wird, oder auch zur Mitverfolgung der Restkapazität eines Wasserenthärters, so dass es dank rechtzeitiger Regeneration nicht zu einem Härtedurchbruch kommt.
Zur Bestimmung der Leitfähigkeit wird im einfachsten Fall der elektrische Widerstand zwischen zwei in die Messlösung eingetauchten bzw. von der Messlösung umspülten Messelektroden bestimmt, wobei eine Wechselspannung zwischen den Messelektroden angelegt ist. Bei bekannter Geometrie der Messelektroden bzw. mit entsprechender Kalibrierung kann dann die absolute elektrische Leitfähigkeit der Messlösung berechnet werden. Die Bestimmung der Leitfähigkeit auf diese Weise erfordert nur einen geringen apparativen Aufwand und ist sehr schnell; insbesondere kann auch eine kontinuierliche Bestimmung der Leitfähigkeit erfolgen.
Auf den Elektrodenoberflächen der Elektroden von Leitfähigkeitssensoren bilden sich mit der Zeit Beläge durch Ausfällungen von in der Messlösung gelösten Stoffen, beispielsweise Kalkbeläge. Diese Beläge verursachen zusätzliche Widerstände und verfälschen dadurch das Messergebnis des Leitfähigkeitssensors. Daher sollten die Elektrodenoberflächen gelegentlich gereinigt werden. Zur Reinigung von Leitfähigkeitssensoren sind verschiedene Methoden bekannt.
Eine mechanische Abreinigung der Beläge, beispielsweise mittels Bürste, Abstreifer oder dergleichen, ist umständlich, da hierzu in der Regel ein Ausbau des Leitfähigkeitssensors erforderlich ist. Außerdem besteht die Gefahr, die empfindlichen Messelektroden zu beschädigen.
Die Auftragung von Säuren und anderen Reinigungsmitteln auf die Elektrodenoberflächen ist ebenfalls umständlich. Zudem ist der Umgang mit aggressiven Reinigern gefährlich, insbesondere wenn die Reinigung von Laien etwa von einem Hausbesitzer selbst bei seiner Hauswasseraufbereitungsanlage) durchgeführt wird.
Die DE 103 09 769 A1 schlägt vor, dass ein Leitfähigkeitssensor zur Reinigung der Elektrodenoberfläche mit einem Elektrolysestrom beaufschlagt wird. Wie dies im Einzelnen durchgeführt werden soll, ist in der DE 103 09 769 A1 nicht erläutert.
Vierpolige Leitfähigkeitssensoren verwenden zwei Stromelektroden und zwei Spannungselektroden. Über die zwei Stromelektroden wird ein elektrischer Strom in die Lösung eingeprägt, und über die zwei Spannungselektroden wird die entsprechende Spannung gemessen, welche über der Messlösung abfällt. Der Spannungsabfall hängt von der Leitfähigkeit der Lösung ab. Solche vierpoligen Leitfähigkeitssensoren sind aufgrund dieses Messprinzips etwas unempfindlicher gegen Verschmutzung der Elektrodenoberflächen, jedoch sind diese Leitfähigkeitssensoren naturgemäß teuer.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Leitfähigkeitssensorstation bereit zu stellen, mit der auf einfache, kostengünstige und schnelle Weise eine Reinigung der Elektrodenoberflächen der Messelektroden des Leitfähigkeitssensors erfolgen kann.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Leitfähigkeitssensorstation der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist,
dass die Spannungsquelle eine Gleichspannungsquelle ist, an die die Messelektroden des Leitfähigkeitssensor als Anode angeschlossen sind,
dass die Leitfähigkeitssensorstation eine weitere Elektrode umfasst, die nicht zum Leitfähigkeitssensor gehört,
dass die weitere Elektrode als Kathode an die Gleichspannungsquelle angeschlossen ist,
und dass eine Gleichspannung U_RB der Gleichspannungsquelle größer ist als die Zersetzungsspannung von Wasser.
Die Messelektroden eines Leitfähigkeitssensors bleiben in vielen Anwendungsfällen ständig in Kontakt mit einer (wässrigen) Messlösung. Die zur Messung der Leitfähigkeit der Messlösung im Normalbetrieb (NB) an die Messelektroden des Leitfähigkeitssensors angelegte Spannung ist in der Regel eine Wechselspannung, die kleiner ist als die Zersetzungsspannung des Wassers; dies verringert die Bildung von Ablagerungen an den Elektrodenoberflächen. Trotzdem entstehen im Laufe der Zeit auf den Elektrodenoberflächen des Leitfähigkeitssensors so starke Beläge, dass das Messergebnis merklich verfälscht wird.
Bei den Ablagerungen handelt es sich in der Regel um Ausfällungen von Ionen, die in der Messlösung vorhanden sind, Insbesondere in Form von Kalk sowie von Hydroxiden und/oder Oxiden des Eisens und Mangans. Darüber hinaus können je nach Messlösung auch organische Verunreinigungen auftreten.
Im Reinigungsbetrieb (RB) des Leitfähigkeitssensors wird eine Gleichspannung angelegt, wobei die Messelektroden des Leitfähigkeitssensors als Anode geschaltet werden, während eine weitere Elektrode (die keine Messelektrode des Leitfähigkeitssensors ist) als Kathode geschaltet ist. Die Messelektroden und die weitere Elektrode stehen typischerweise über die Messlösung in leitender Verbindung. An den Anoden bilden sich durch elektrolytische Zersetzung von Wasser Säure und Sauerstoff gemäß: 2H₂O → 4H⁺ + O₂ + 4e^–
Die gebildete Säure löst Ablagerungen und befreit die Elektrodenoberflächen von Belägen. Zusätzlich werden Verschmutzungen durch das Aufsteigen von direkt auf der Elektrodenoberfläche gebildeten Sauerstoffbläschen von dieser abgehoben. Falls gewünscht kann die Messlösung während des Reinigungsbetriebs zumindest zeitweise stehen (stagnieren), um die gebildete Säure eine gewisse Zeit einwirken lassen zu können (und nicht sofort nach ihrer Entstehung fortzuspülen). Ebenso kann, falls gewünscht, gegen Ende des Reinigungsbetriebs die Messlösung um die Messelektroden und auch um die weitere Elektrode ausgespült werden, um die abgelösten Beläge, die Säure und Lauge (die kathodenseitig entsteht) zu entfernen. Bei üblichen Leitfähigkeitssensoren sind jedoch eine Messlösungsstagnation und ein Ausspülen der Messlösung wegen der kleinen Messelektrodenabmessungen in der Regel entbehrlich.
Da die Messelektroden des Leitfähigkeitssensors alle gleichzeitig als Anode geschaltet werden, kann eine sehr rasche Reinigung aller Messelektroden des Leitfähigkeitssensors erfolgen.
Bevorzugt wird als weitere Elektrode eine bereits in der Wasserinstallation, die den Leitfähigkeitssensor enthält, vorhandene Elektrode eingesetzt (beispielsweise eine Elektrode zur Chlorerzeugung, mit der ein Ionentauscher desinfiziert werden kann), so dass keine zusätzliche Elektrode eingerichtet werden muss. Falls keine vorhandene Elektrode als weitere Elektrode zur Verfügung steht, kann die weitere Elektrode speziell eingerichtet werden (d. h. die weitere Elektrode wird dann ausschließlich für den Reinigungsbetrieb des Leitfähigkeitssensors eingesetzt). Als Kathode kann insbesondere ein Stück Rohrleitung, das die Messlösung führt und aus elektrisch leitfähigem Material (etwa Kupfer) besteht, kontaktiert werden. Bevorzugt ist die Kathode dann auf Erdpotential.
Die Zersetzungsspannung von Wasser beträgt ca. 1,2 V; bevorzugt ist die Gleichspannung U_RB aber mindestens zu 1,8 V oder weiter bevorzugt mindestens zu 2,0 V gewählt, um problemlos kinetische Hemmungen (sogenannte „Überspannungen”) zu überwinden.
Die erfindungsgemäße Leitfähigkeitssensorstation erlaubt eine schnelle, einfache und kostengünstige elektrolytische Reinigung der Messelektroden des Leitfähigkeitssensors der Leitfähigkeitssensorstation.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leitfähigkeitssensorstation, bei der weiterhin eine elektronische Steuereinheit vorgesehen ist, mit der zwischen

– einer Beaufschlagung der Messelektroden mit einer Wechselspannung in einem Normalbetrieb zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit einer Messlösung und
– einer Beaufschlagung der Messelektroden als Anode und der weiteren Elektrode als Kathode mit der Gleichspannung U_RB aus der Gleichspannungsquelle in einem Reinigungsbetrieb umgeschaltet werden kann. Mit der elektronischen Steuereinheit kann der Wechsel zwischen Normalbetrieb und Reinigungsbetrieb automatisiert erfolgen; der Leitfähigkeitssensor kann dann mit besonders hoher Zuverlässigkeit betrieben werden.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die elektronische Steuereinheit dazu ausgebildet ist, den Leitfähigkeitssensor in einem Wechsel von

– Normalbetrieb (NB), in welchem die Messelektroden mit einer Wechselspannung U_NB beaufschlagt werden und die elektrische Leitfähigkeit einer Messlösung gemessen wird, und
– Reinigungsbetrieb (RB) zu betreiben. Durch die Leitfähigkeitsmessung im Normalbetrieb mit Wechselspannung zwischen den Messelektroden werden elektrochemische Prozesse weitgehend vermieden, so dass die Wasserqualität durch die Messung nicht verändert wird; Ablagerungen an den Messelektrodenoberflächen sind minimiert. Die Wechselspannung sollte so gering gewählt werden, dass die Zersetzungsspannung von Wasser nicht überschritten wird. Typische Frequenzen der Wechselspannung liegen zwischen 500 Hz und 5 kHz, bevorzugt bei ca. 1 kHz; die Wechselspannung ist typischerweise sinusförmig. Die Messlösung steht im Kontakt mit den Messelektroden; typischerweise fließt Messlösung zumindest zeitweise während des Normalbetriebs durch den Leitfähigkeitssensor.

Bevorzugt ist eine Weiterbildung dieser Ausführungsform, bei der gilt: 10 ≤ U_RB/U_NB ⁰ ≤ 2500, mit U_NB ⁰: maximale Spannungsdifferenz zwischen den Messelektroden während einer Periode von U_NB. Diese Spannungsverhältnisse haben sich in der Praxis bewährt. Insbesondere werden bei Spannungen U_NB ⁰ zwischen 10 mV und 100 mV wenig Ablagerungen gebildet, und bei Spannungen U_RB zwischen 2 V und 25 V wird die Reinigung der Messelektroden schnell und intensiv durchgeführt.
Besonders bevorzugt ist auch eine Weiterbildung, bei der die elektronische Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, dass der Reinigungsbetrieb (RB) nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer des Normalbetriebs (NB) gestartet wird. Der Reinigungsbetrieb (RB) wird in typischerweise regelmäßigen Abständen, die durch Zeitablauf, oder auch über eine durch den Leitfähigkeitssensor geflossene Messlösungsmenge definiert sein können, durchgeführt. Die meisten Beläge bilden sich unabhängig von der durch den Leitfähigkeitssensor fließenden Menge an Messlösung, so dass ein durch Zeitablauf bestimmtes Reinigungsintervall eine gute Kontrolle der Ablagerungen an den Messelektrodenoberflächen ermöglicht. Die vorgegebene Zeitdauer bzw. das entsprechende „Reinigungsintervall” ist typischerweise zwischen einmal pro Woche und einmal pro drei Monate, z. B. einmal pro Monat. Ein mengendefinierter Beginn des Reinigungsbetriebs (RB) kann beispielsweise erfolgen, wenn – abhängig von der Qualität der Messlösung – 1 bis 50 m³ Messlösung durch den Leitfähigkeitssensor geflossen sind. Wird der Leitfähigkeitssensor zur Steuerung einer Enthärtungsanlage verwendet, so kann der Reinigungsbetrieb (RB) des Leitfähigkeitssensors während einer Regeneration der Wasserenthärtungsanlage durchgeführt werden.
Vorteilhaft ist es dabei, warm die vorgegebene Zeitdauer abhängig ist von der Leitfähigkeit der im Normalbetrieb durch den Leitfähigkeitssensor fließenden Messlösung. Die Leitfähigkeit steigt mit zunehmender Wasserhärte bzw. allgemein höheren Konzentrationen von enthaltenen Ionen an. Je mehr Ionen die durch den Leitfähigkeitssensor fließende wässrige Messlösung enthält, desto schneller bilden sich Beläge (etwa Kalkablagerungen) an den Elektrodenoberflächen des Leitfähigkeitssensors. Der Reinigungsbetrieb kann dann entsprechend früher durchgeführt werden, so dass der maximale Verschmutzungsgrad der Messelektrodenoberflächen begrenzt wird.
Bevorzugt ist auch eine Weiterbildung, bei der die elektronische Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, dass der Reinigungsbetrieb gestartet wird, wenn im Normalbetrieb eine vom Leitfähigkeitssensor registrierte Abnahme der Leitfähigkeit einen vorgegebenes Grenzwert überschreitet. Durch die Bildung von Ablagerungen auf den Elektrodenoberflächen entsteht eine Isolationsschicht, entsprechend sinkt der in der Leitfähigkeitsmesszelle auftretende Stromfluss. Dieser Stromfluss ist das Maß für die elektrische Leitfähigkeit der Messlösung. Beispielsweise kann als vorgegebener Grenzwert (bei dem eine Reinigung gestartet wird) eine Abnahme von 10% (oder ein anderer Prozentsatz, typischerweise zwischen 5 und 15%) gegenüber der Leitfähigkeit unmittelbar nach Beginn des Normalbetriebs vorgesehen sein. Der vorgegebene Grenzwert ist typischerweise in einer elektronischen Steuerung hinterlegt. Um eine Verfälschung der Messwerte durch Stagnationseffekte zu vermeiden, erfolgt die Messung der Leitfähigkeit bevorzugt nur, wenn die Messlösung – in der Regel eine wässrige Lösung – durch die Leitfähigkeitsmesszelle fließt. Ebenso wird auf eine Auswertung der Messergebnisse bevorzugt verzichtet, bis eine Mindestmenge, beispielsweise ein Liter, durch die Leitfähigkeitsmesszelle geflossen ist.
Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass der Reinigungsbetrieb jedoch nicht gestartet wird, wenn die registrierte Abnahme in kürzerer Zeit als eine vorgegebene Grenzzeitdauer auftritt. Wenn eine Leitfähigkeitsänderung „spontan” (d. h. sehr plötzlich) auftritt, deutet dies auf einen Wechsel der Wasserqualität hin, und nicht auf die Bildung von Belägen auf den Elektrodenoberflächen, denn diese führen zu einer allmählichen (langsamen) Abnahme der Leitfähigkeit. Daher braucht bei „spontanen” Leitfähigkeitsänderungen im Allgemeinen keine Abreinigung erfolgen. Beispielsweise kann als vorgegebene Grenzzeitdauer 5 Minuten (oder ein andere Zeitdauer, typischerweise zwischen 3 min und 30 min) vorgesehen sein. Die vorgegebene Grenzzeitdauer ist typischerweise in einer elektronischen Steuerung hinterlegt.
In einer weiteren, vorteilhaften Weiterbildung ist die elektronische Steuereinrichtung dazu ausgebildet, dass nach einer definierten Zeit ab Beginn des Reinigungsbetriebs vom Reinigungsbetrieb in den Normalbetrieb gewechselt wird. Die definierte Zeit (Reinigungsdauer) kann fest vorgegeben sein, beispielsweise 5 Minuten (oder ein andere Zeitdauer, typischerweise zwischen 3 min und 15 min), oder aber abhängig von der Leitfähigkeit (bzw. der Härte) der wässrigen Messlösung sein. Die definierte Zeit (oder gegebenenfalls die Funktionalität zur Bestimmung der definierten Zeit aus der Leitfähigkeit oder Härte) ist typischerweise in einer elektronischen Steuerung hinterlegt.
Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung, bei der die elektronische Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, dass in den Reinigungsbetrieb zurückgewechselt wird, wenn die Leitfähigkeit gemessen zu Beginn des Normalbetriebes nach einem Reinigungsbetrieb einen ersten Mindestwert nicht überschreitet. Im Reinigungsbetrieb werden die Elektrodenoberflächen von Belägen befreit; die Leitfähigkeit steigt entsprechend. Erreicht die Leitfähigkeit nach dem Reinigungsbetrieb nicht den (vorgegebenen) ersten Mindestwert, so kann davon ausgegangen werden, dass die Abreinigung der Elektrodenoberflächen unvollständig war und ein weiterer Reinigungsbetrieb notwendig ist. Beispielsweise kann der Reinigungsbetrieb sofort wiederholt werden, wenn die unmittelbar nach der Abreinigung gemessene Leitfähigkeit nicht mindestens 95% (oder einen anderen Prozentsatz, typischerweise zwischen 85% und 98%) des Wertes zu Beginn des vorherigen Normalbetriebes beträgt.
Ebenfalls vorteilhaft ist eine Weiterbildung, bei der die elektronische Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, dass eine Alarmmeldung erfolgt, wenn die unmittelbar vor und unmittelbar nach dem letzten Reinigungsbetrieb gemessenen Leitfähigkeiten zumindest näherungsweise gleich sind und einen zweiten Mindestwert nicht überschreiten. Sind die Leitfähigkeiten unmittelbar vor und nach dem Reinigungsbetrieb gleich und vergleichsweise niedrig (wie durch den vorgegebenen zweiten Mindestwert festgelegt), so liegt wahrscheinlich ein Defekt vor oder die Ablagerungen lassen sich nicht zufriedenstellend durch die angewandte elektrolytische Methode abreinigen. Durch die Alarmmeldung können weitere Maßnahmen initiiert werden (etwa eine Reparatur oder eine ausnahmsweise händische Reinigung der Messelektrodenoberflächen). Die Alarmmeldung kann insbesondere akustisch und/oder optisch und/oder durch Datenübertragung beispielsweise auf ein Handy oder an eine Leitwarte erfolgen. Die beiden Leitfähigkeiten gelten typischerweise als näherungsweise gleich, wenn sie sich um weniger als einen gewissen Prozentsatz bezogen auf die Leitfähigkeit unmittelbar vor dem letzten Reinigungsbetrieb, beispielsweise um weniger als 3% (oder einen anderen Prozentsatz, meist zwischen 1% und 5% gewählt), unterscheiden. Zur Vermeidung von Fehlalarmen kann im Rahmen der Erfindung auch vorgesehen sein, dass erst bei zwei (oder noch mehr) Reinigungszyklen in Folge, für die die Leitfähigkeiten vor und nach der jeweiligen Reinigung näherungsweise gleich geblieben und unter dem zweiten Mindestwert geblieben sind, eine Alarmmeldung ausgegeben wird. Dies vermeidet einen Alarm bei einer zufälligen Übereinstimmung der Leitfähigkeiten vor und nach einem Reinigungsbetrieb aufgrund einer veränderten Wasserzusammensetzung, die den Reinigungseffekt gerade kompensiert.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leitfähigkeitssensorstation ist die weitere Elektrode eine Elektrode einer elektrolytischen Wasserbehandlungsvorrichtung. Als eine solche elektrolytische Wasserbehandlungsvorrichtung kommt beispielsweise eine elektrolytische Kalkschutzschutz- oder Desinfektionsvorrichtung in Betracht. Kontrolliert der Leitfähigkeitssensor die Wasserqualität in einer elektrolytischen Kalkschutz- oder Desinfektionsvorrichtung, so kann eine dort bereits vorhandene Elektrode kathodisch gegen die Messelektroden des Leitfähigkeitssensors geschaltet werden. Es wird dann für den Reinigungsbetrieb des Leitfähigkeitssensors keine zusätzliche Elektrode benötigt. Dies vereinfacht den apparativen Aufbau und spart Kosten. Alternativ kann eine zusätzliche Elektrode ausschließlich für den Reinigungsbetrieb des Leitfähigkeitssensors vorgesehen sein.
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Wasserenthärtungsanlage mit integrierter Desinfektionsvorrichtung, umfassend eine erfindungsgemäße Leitfähigkeitssensorstation, wobei die weitere Elektrode zur Desinfektionsvorrichtung gehört, insbesondere wobei die weitere Elektrode eine Chlorelektrode ist. Moderne Wasserenthärtungsanlagen können mit Hilfe von Leitfähigkeitssensoren gesteuert werden, die die Wasserqualität erfassen. Die Wasserenthärtungsanlage kann mithilfe des Leitfähigkeitssensors insbesondere die Rohwasserhärte überwachen. Durch die Nutzung einer Elektrode der Desinfektionsvorrichtung als weitere Elektrode braucht keine zusätzliche Elektrode als weitere Elektrode eingerichtet zu werden. Die Chlorelektrode in der Desinfektionsvorrichtung ist im Desinfektionsbetrieb an der Erzeugung von Chlorgas (Cl₂) aus Chloridionen beteiligt (man beachte, dass zur Chlorerzeugung grundsätzlich eine Anode, an der das Chlorgas entsteht, und eine Kathode erforderlich sind; als die weitere Elektrode kann sowohl die Anode als auch die Kathode der Chlorerzeugung ausgewählt werden); aus dem Chlorgas entsteht in Wasser insbesondere hypochlorige Säure, die keimtötend wirkt. Wasserenthärtungsanlagen nach DIN EN 19636-100 enthalten zum Schutz vor Verkeimung eine Desinfektionsvorrichtung, die in der Regel elektrolytisch arbeitet. Eine Elektrode der Desinfektionsvorrichtung kann dann zur Reinigung des Leitfähigkeitssensors kathodisch gegen die Elektroden des Leitfähigkeitssensors geschaltet werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Ablaufdiagramm einer Variante eines Betriebsverfahrens, mit dem eine erfindungsgemäße Leitfähigkeitssensorstation betrieben werden kann;
2a eine schematische Ansicht einer Leitfähigkeitssensorstation im Normalbetrieb gemäß der Erfindung;
2b die Leitfähigkeitssensorstation von 2a im Reinigungsbetrieb gemäß der Erfindung.
1 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Variante eines Verfahrens zur Betrieb eines Leitfähigkeitssensors einer erfindungsgemäßen Leitfähigkeitssensorstation. Hierbei wird zwischen einem Normalbetrieb, in welchem der Leitfähigkeitssensor zur Messung der Leitfähigkeit einer wässrigen Lösung eingesetzt wird, und einem Reinigungsbetrieb, in welchem die Oberflächen der Messelektroden einer elektrolytischen Reinigung unterzogen werden, gewechselt.
Zu Beginn („Start” 1) erfasst der Leitfähigkeitssensor einen ersten Messwert der Leitfähigkeit einer wässrigen Messlösung, der als (erste) Referenzleitfähigkeit LF_ref gespeichert wird („Messung LF_ref” 2). Mit der Referenz-Leitfähigkeitsmessung wird eine Zeitmessung („Zeiterfassung t_aktuell” 3) gestartet. Ist der Leitfähigkeitssensor in eine Wasserbehandlungsvorrichtung integriert, so kann zusätzlich die durch die Wasserbehandlungsvorrichtung fließende Wassermenge Q_aktuell bestimmt werden („Bestimmung Q_aktuell” 4).
Die Leitfähigkeit wird sodann regelmäßig bestimmt („weitere Messungen LF_aktuell” 5), beispielsweise alle fünf Minuten oder auch kontinuierlich, und mit der anfangs gemessenen Leitfähigkeit LF_ref verglichen („Vergleich LF_aktuell und LF_ref” 6). Die aktuell gemessene Leitfähigkeit LF_aktuell nimmt mit der Zeit ab, da sich auf den Messelektrodenoberflächen des Leitfähigkeitssensors während des Betriebes Ablagerungen bilden, die isolierend wirken.
Nun wird geprüft, wie stark die Abnahme der Leitfähigkeit LF_aktuell gegenüber der Referenzleitfähigkeit LF_ref ist. Fällt die aktuell gemessene Leitfähigkeit LF_aktuell (hier) unter 90% der Referenzleitfähigkeit („LF_aktuell < 0,9·LF_ref ?” 7), d. h. übersteigt die relative Abnahme der Leitfähigkeit den hier implizit vorgegebenen Grenzwert von 10%, so wird eine Abreinigung gestartet („Abreinigung” 8); der Leitfähigkeitssensor befindet sich sodann im Reinigungsbetrieb (RB).
Während des Reinigungsbetriebs werden die Messlektroden des Leitfähigkeitssensors als Anode gegen eine weitere Elektrode geschaltet, die dann als Kathode fungiert. Als Kathode kann beispielsweise eine in einer Wasserbehandlungsvorrichtung eingesetzte Elektrode herangezogen werden, beispielsweise eine Elektrode zur Chlorerzeugung. Übersteigt die angelegte Spannung die Zersetzungsspannung des Wassers (üblicherweise werden Spannungen im Bereich von 2 V bis etwa 25 V verwendet), so bildet sich an den anodisch geschalteten Messelektroden des Leitfähigkeitssensors Säure. Die Säure löst Ablagerungen und befreit die Elektrodenoberflächen von Belägen.
Die Abbruchbedingung der Abreinigung („Abreinigung abgeschlossen?” 9) kann am Einfachsten den Ablauf einer definierten Zeit, beispielsweise 5 Minuten, nach Beginn des Reinigungsbetriebs vorsehen, nach welcher wieder in den Normalbetrieb (NB) gewechselt wird. Der Normalbetrieb beginnt hierbei mit einer ersten Leitfähigkeitsmessung, mit der ein neuer Leitfähigkeitsreferenzwert LF_ref ermittelt wird („Messung LF_ref” 11).
In der vorgestellten Variante wird nun der Erfolg der vorangegangenen Abreinigung kontrolliert. Ist die neue Referenzleitfähigkeit LF_ref, also die Leitfähigkeit unmittelbar nach der Abreinigung 8, nicht größer er als ein vorgegebener erster Mindestwert MW1 („LF_ref > MW1?” 10a), so kann davon ausgegangen werden, dass die Abreinigung der Elektrodenoberflächen unvollständig war und eine weitere Abreinigung notwendig ist; in diesem Fall wird der Normalbetrieb abgebrochen und eine weitere Abreinigung 8 wird sofort gestartet. Ist die neue Referenzleitfähigkeit LF_ref größer als der erste Mindestwert MW1, so kann von einer erfolgreichen Reinigung ausgegangen werden, und der Normalbetrieb kann mit der Zeiterfassung („Zeiterfassung t_aktuell” 3) fortgesetzt werden.
Falls dieser Mindestwert MW1 auch nach mehreren Abreinigungszyklen nicht erreicht wird, kann davon ausgegangen werden, dass ein Defekt vorliegt oder die Ablagerungen durch die anodisch gebildete Säure nicht abgelöst werden können. In diesem Fall kann eine Alarmmeldung („Alarm” 10b) erfolgen.
Hierfür sollten die Zurückverweisungen von Schritt 10a nach Schritt 8 über einen Zähler mitverfolgt werden; sobald der Zähler beispielsweise zwei Rückverweisungen registriert hat, wird der Alarm 10b ausgelöst; mit Beginn einer neuen Zeiterfassung in Schritt 3 kann der Zähler auf null zurückgesetzt werden (nicht näher dargestellt).
Alternativ oder (bevorzugt) zusätzlich kann die Abreinigung 8 auch unabhängig von der aktuell gemessenen Leitfähigkeit LF_aktuell gestartet werden; insbesondere ist eine Einleitung/Wiederholung der Abreinigung nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer t_grenz und/oder nach Durchfluss einer bestimmten Wassermenge Q_grenz nach Beginn eines Normalbetriebsintervalls möglich („t_aktuell > t_grenz? oder Q_aktuell > Q_grenz?” 12). So kann etwa zumindest einmal pro Monat eine Abreinigung 8 stattfinden; bei besonders hartem Wasser können die zeitlichen Abstände der einzelnen Abreinigungen 8 entsprechend verkürzt werden. Ebenso kann eine Abreinigung 8 erfolgen, wenn je nach Wasserhärte beispielsweise zwischen 5 m³ und 40 m³ Messlösung durch den Leitfähigkeitssensor bzw. die Wasserbehandlungsvorrichtung geflossen sind.
Es ist auch möglich, den Erfolg einer Abreinigung dadurch zu kontrollieren, dass die Leitfähigkeiten unmittelbar vor und unmittelbar nach einer Abreinigung 8 verglichen werden. Dazu kann zwischen den Schritten 7 und 8 die letzte aktuelle Leitfähigkeit LF_letzte abgespeichert werden. In Schritt 10a kann dann alternativ oder zusätzlich geprüft werden, ob sich die letzte aktuelle Leitfähigkeit LF_letzte und die neue Referenzleitfähigkeit LF_ref ausreichend unterscheiden (beispielsweise um mehr als 3%, bezogen auf LF_letzte). Ist dies nicht der Fall, so erfolgt sofort eine erneute Abreinigung 8, sofern beide Leitfähigkeiten LF_letzte und LF_ref auch kleiner sind als ein zweiter Mindestwert MW2 (hierbei kann wiederum ein Zähler die Anzahl der Rückverweisungen mitverfolgen und ein Alarm 10b bei mehreren unmittelbar aufeinanderfolgenden Rückverweisungen eingerichtet sein, siehe oben); anderenfalls kann mit dem Normalbetrieb bei der Zeiterfassung 3 fortgesetzt werden (nicht näher dargestellt).
Eine spontan auftretende Änderung der Leitfähigkeit wird in der Regel nicht durch Ablagerungen verursacht, sondern deutet auf eine Änderung der Messlösung hin, beispielsweise durch Wechsel der Wasserqualität in einem Wasserversorgungsgebiet. In diesem Fall kann auf eine sofortige Abreinigung verzichtet werden. Zum Erkennen einer spontanen Änderung der Leitfähigkeit können die Messungen der aktuellen Leitfähigkeit LF_aktuell in Schritt 5 in regelmäßigen Zeitabständen vorgenommen werden, und zusätzlich zur aktuellen Leitfähigkeit LF_aktuell sollte auch die vorherige aktuelle Leitfähigkeit LF_vorher gespeichert werden. Die Zeitabstände sollten hierbei so kurz sein, dass in diesen Zeiten keine merkliche Veränderung der Ablagerungen an den Elektrodenoberflächen zu erwarten ist und entsprechend keine merkliche Änderung der Leitfähigkeit. Zwischen Schritt 5 und 6 sollten dann LF_aktuell und LF_vorher verglichen werden; im Falle einer merklichen Änderung von LF_aktuell gegenüber LF_vorher (beispielsweise mehr als 1% Änderung bezogen auf LF_vorher) sollte die Referenzleitfähigkeit LF_ref für den weiteren Normalbetrieb entsprechend (proportional) verändert werden, so dass in zukünftigen Schritten 7 der offensichtlich veränderten Wasserqualität Rechnung getragen ist. Der Normalbetrieb kann dann mit Schritt 5 fortgesetzt werden (nicht näher dargestellt).
2a zeigt in schematischer Darstellung einen Teil einer Wasserenthärtungsanlage, umfassend eine erfindungsgemäße Leitfähigkeitssensorstation, wobei die Wasserenthärtungsanlage mit einer elektrolytischen Desinfektionsvorrichtung ausgestattet ist, im Normalbetrieb (NB).
Die Leitfähigkeitssensorstation umfasst insbesondere einen Leitfähigkeitssensor 13, eine Gleichspannungsquelle GQ und eine elektronische Steuereinheit SE.
Der Leitfähigkeitssensor 13 besitzt zwei Messelektroden 14, 15, an die im Normalbetrieb eine Wechselspannung U_NB angelegt ist; die Wechselspannung wird durch eine Messelekronik ME des Leitfähigkeitssensors 13 bereit gestellt und ist typischerweise sinusförmig gewählt; die maximale Spannungsdifferenz U_NB ⁰ während einer Periode von U_NB beträgt typischerweise ca. 10–100 mV, also unter der Zersetzungspannung von Wasser.
Durch Messung des elektrischen Stroms zwischen den Messelektroden 14, 15 kann auf die elektrische Leitfähigkeit und damit auf die Qualität einer Messlösung, die zwischen den Messelektroden 14, 15 vorliegt und mit der die Messelektroden 14, 15 in Kontakt stehen, rückgeschlossen werden. Ein Messverstärker 16 in der Messelektronik ME verstärkt das Messsignal des Leitfähigkeitssensors 13. Der Leitfähigkeitssensor 13 kann weiterhin einen Temperaturmessfühler aufweisen (nicht dargestellt); mit dessen Messwerten kann die Temperaturabhängigkeit der gemessenen Leitfähigkeit berücksichtigt (herausgerechnet) werden. Das Messignal des Leitfähigkeitssensors 13 wird zur Steuerung der Wasserenthärtungsfunktion verwendet (insbesondere die Steuerung der Regeneration eines Ionentauschers oder auch eine Verschneidungssteuerung, nicht dargestellt). Während des dargestellten Normalbetriebs des Leitfähigkeitssensors 13 sind die Messelektroden 14, 15 durch offene Relais 25, 26 von der Gleichspannungsquelle GQ getrennt.
Die Wasserenthärtungsanlage hat eine integrierte Desinfektionsvorrichtung 17 zur elektrolytischen Erzeugung von Chlor; in 2a wird gerade Chlor erzeugt (Man beachte, dass während des Normalbetriebs NB des Leitfähigkeitssensors 13 typischerweise nur zeitweise Chlor erzeugt wird). Zur Chlorerzeugung wird an zwei Elektroden 18, 19 der Desinfektionsvorrichtung 17 eine Gleichspannung angelegt, die von der Gleichspannungsquelle GQ zur Verfügung gesteift wird; während der Chlorerzeugung umspült eine Salzsole die Elektroden 18, 19. Die Elektrode 18 wird über ein Relais 20 mit dem Pluspol 21a der Gleichspannungsquelle GQ verbunden und somit anodisch geschaltet, so dass dort im Wasser vorhandene Chlorid-Ionen zu Chlor oxidiert werden. Die Gegenelektrode 19 ist bei geschlossenem Relais 22 über die Verbindung 23 mit dem geerdeten Pol 21b der Gleichspannungsquelle GQ verbunden und somit kathodisch geschaltet.
Wenn kein Chlor mehr erzeugt werden soll, können die beiden Relais 20 und 22 geöffnet werden.
Die Relais 20, 22, 25, 26 sowie die Messelektronik ME werden von der elektronischen Steuereinheit SE kontrolliert (vgl. die gepunkteten Steuerungsleitungen); die Steuereinheit SE kontrolliert insbesondere den Wechsel zwischen Normalbetrieb (Messbetrieb) NB und Reinigungsbetrieb RB des Leitfähigkeitssensors 13. Die Steuereinheit SE kann darüber hinaus auch andere Funktionen in der Wasserbehandlungsvorrichtung wahrnehmen bzw. steuern (etwa die Regeneration eines Ionentauschers einschließlich der Chlorerzeugung zur Desinfektion des Ionentauschers).
2b zeigt die Wasserenthärtungsanlage von 2a im Reinigungsbetrieb (RB) des Leitfähigkeitssensors 13.
Zur Abreinigung der Messelektrodenoberflächen wird ein Elektrolysestrom zwischen allen Messelektroden 14, 15 des Leitfähigkeitssensors 13 einerseits und der Elektrode 19 der Desinfektionsvorrichtung 17 als weiterer Elektrode 19 andererseits eingerichtet.
Hierzu werden von der Steuereinheit SE die Messelektroden 14, 15 über die beiden Relais 25, 26 mit dem Pluspol 21a der Gleichspannungsquelle GQ verbunden, während die Elektrode 18 vom Pluspol 21a durch das offene Relais 20 getrennt wird; die Wechselstromquelle in der Messelektronik ME wird deaktiviert. Weiterhin wird die Elektrode 19 über die Verbindung 23 bei geschlossenem Relais 22 mit dem geerdeten Pol 21b verbunden. Durch die Gleichstromquelle GQ wird somit ein Elektrolysestrom zwischen den Messelektroden 14, 15 als Anode und der weiteren Elektrode 19 als Kathode eingerichtet.
Der Leitfähigkeitssensor 13 und die elektrolytische Desinfektionsvorrichtung 17 sind (zumindest im Reinigungsbetrieb) über eine hydraulische Verbindung 24 miteinander verknüpft, d. h. die Messlösung verbindet die Elektroden 14, 15, 19, so dass ein geschlossener Stromkreis für den Elektrolysestrom zur Verfügung steht. Der Leitfähigkeitssensor 13 kann beispielsweise im Zulauf der Wasserenthärtungsanlage angeordnet sein, der zu einem Ionentauscher führt, und die Desinfektionsvorrichtung kann in einem Zulauf desselben Ionentauschers für Salzsole (bevorzugt diesseits eines etwaigen Absperrventils des Salzsolezulaufs, vom Ionentauscher aus gesehen) angeordnet sein.
An den beiden anodisch geschalteten Messelektroden 14, 15 bildet sich durch Zersetzung des Wassers gemäß 2H₂O → 4H⁺ + O₂ + 4e^– ein stark saures Medium, das Ablagerungen und Beläge auf den Oberflächen der Messelektroden 14, 15 last. Zusätzlich werden Verschmutzungen durch das Aufsteigen von direkt auf der Elektrodenoberfläche gebildeten Sauerstoffbläschen von dieser abgehoben.
Die Abreinigung wird regelmäßig durchgeführt und auf einfache Art und Weise automatisch (insbesondere über die Relais 20, 22, 25, 26) von der elektronischen Steuereinheit SE geschaltet. Als Abreinigungskriterien können beispielsweise die Abnahme der mit dem Leitfähigkeitssensor 13 gemessenen Leitfähigkeit, der Ablauf einer vorgegebenen Zeit oder die Behandlung einer definierten Wassermenge herangezogen werden (vgl. hierzu 1); die Kriterien werden von der elektronischen Steuereinheit SE überwacht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10309769 A1 [0002, 0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 19636-100 [0031]

Claims

Leitfähigkeitssensorstation, umfassend – einen Leitfähigkeitssensor (13) mit wenigstens zwei Messelektroden (14, 15), und – eine Spannungsquelle, mit der die Messelektroden (14, 15) mit einem Elektrolysestrom beaufschlagt werden können, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle eine Gleichspannungsquelle (GQ) ist, an die die Messelektroden (14, 15) des Leitfähigkeitssensor (13) als Anode angeschlossen sind, dass die Leitfähigkeitssensorstation eine weitere Elektrode (19) umfasst, die nicht zum Leitfähigkeitssensor (13) gehört, dass die weitere Elektrode (19) als Kathode an die Gleichspannungsquelle (GQ) angeschlossen ist, und dass eine Gleichspannung U_RB der Gleichspannungsquelle (GQ) größer ist als die Zersetzungsspannung von Wasser.
Leitfähigkeitssensorstation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine elektronische Steuereinheit (SE) vorgesehen ist, mit der zwischen – einer Beaufschlagung der Messelektroden (14, 15) mit einer Wechselspannung in einem Normalbetrieb (NB) zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit einer Messlösung und – einer Beaufschlagung der Messelektroden (14, 15) als Anode und der weiteren Elektrode (19) als Kathode mit der Gleichspannung U_RB aus der Gleichspannungsquelle (GQ) in einem Reinigungsbetrieb (RB) umgeschaltet werden kann.
Leitfähigkeitssensorstation nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit (SE) dazu ausgebildet ist, den Leitfähigkeitssensor (13) in einem Wechsel von – Normalbetrieb (NB), in welchem die Messelektroden (14, 15) mit einer Wechselspannung U_NB beaufschlagt werden und die elektrische Leitfähigkeit einer Messlösung gemessen wird, und – Reinigungsbetrieb (RB) zu betreiben.
Leitfähigkeitssensorstation nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass gilt: 10 ≤ U_RB/U_NB ⁰ ≤ 2500, mit U_NB ⁰: maximale Spannungsdifferenz zwischen den Messelektroden (14, 15) während einer Periode von U_NB.
Leitfähigkeitssensorstation nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit (SE) dazu ausgebildet ist, dass der Reinigungsbetrieb (RB) nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer (t_grenz) des Normalbetriebs (NB) gestartet wird.
Leitfähigkeitssensorstation nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Zeitdauer (t_grenz) abhängig ist von der Leitfähigkeit der im Normalbetrieb (NB) durch den Leitfähigkeitssensor (13) fließenden Messlösung.
Leitfähigkeitssensorstation nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit (SE) dazu ausgebildet ist, dass der Reinigungsbetrieb (RB) gestartet wird, wenn im Normalbetrieb (NB) eine vom Leitfähigkeitssensor (13) registrierte Abnahme der Leitfähigkeit einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
Leitfähigkeitssensorstation nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Reinigungsbetrieb (RB) jedoch nicht gestartet wird, wenn die registrierte Abnahme in kürzerer Zeit als eine vorgegebene Grenzzeitdauer auftritt.
Leitfähigkeitssensorstation nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit (SE) dazu ausgebildet ist, dass nach einer definierten Zeit ab Beginn des Reinigungsbetriebs (RB) vom Reinigungsbetrieb (RB) in den Normalbetrieb (NB) gewechselt wird.
Leitfähigkeitssensorstation nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit (SE) dazu ausgebildet ist, dass in den Reinigungsbetrieb (RB) zurückgewechselt wird, wenn die Leitfähigkeit (LF_ref) gemessen zu Beginn des Normalbetriebes (NB) nach einem Reinigungsbetrieb (RB) einen ersten Mindestwert (MW1) nicht überschreitet.
Leitfähigkeitssensorstation nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit (SE) dazu ausgebildet ist, dass eine Alarmmeldung (10b) erfolgt, wenn die unmittelbar vor und unmittelbar nach dem letzten Reinigungsbetrieb (RB) gemessenen Leitfähigkeiten (LF_letzte, LF_ref) zumindest näherungsweise gleich sind und einen zweiten Mindestwert (MW2) nicht überschreiten.
Leitfähigkeitssensorstation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Elektrode (19) eine Elektrode einer elektrolytischen Wasserbehandlungsvorrichtung ist.
Wasserenthärtungsanlage mit integrierter Desinfektionsvorrichtung (17), umfassend eine Leitfähigkeitssensorstation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die weitere Elektrode (19) zur Desinfektionsvorrichtung (17) gehört, insbesondere wobei die weitere Elektrode (19) eine Chlorelektrode ist.