DE20318463U1

DE20318463U1 - Handmessgerät

Info

Publication number: DE20318463U1
Application number: DE20318463U
Authority: DE
Original assignee: Sita Messtechnik GmbH
Current assignee: Sita Messtechnik GmbH
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2003-11-26
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2013-11-27

Abstract

Handmessgerät zum Messen der Oberflächenspannung einer Flüssigkeit oder einer Stoffkonzentration in einer Flüssigkeit nach der Blasendruckmethode, aufweisend ein Gehäuse in der Ausführung eines Handmessgerätes mit mindestens einer am Gehäuse vorzugsweise auswechselbar befestigten Messkapillare sowie gegebenenfalls mit einem oder mehreren mit dem Messgerät funktionell verbundenen weiteren Sensor(en) und enthaltend Bedien- und Anzeigemittel, eine Stromversorgung, eine Gasquelle für die Erzeugung von Blasen an mindestens einer Messkapillare, Mittel zum Erzeugen von Blasenfrequenzen oder Blasenlebensdauern (Oberflächenaltern) und eine Elektronik/Prozessoreinheit für die Steuerung der internen Abläufe und Speicherung von Daten, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum automatischen Regeln der Blasenlebensdauer (Blasenfrequenz) oder einer Folge veränderlicher Blasenraten nach einem oder mehreren Sollwert(en) vorhanden sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Handmessgerät zum Messen der Oberflächenspannung einer Flüssigkeit oder einer Stoffkonzentration in einer Flüssigkeit nach der Blasendruckmethode, aufweisend ein Gehäuse in der Ausführung eines Handmessgerätes mit mindestens einer am Gehäuse vorzugsweise auswechselbar befestigten Messkapillare sowie gegebenenfalls mit einem oder mehreren mit dem Messgerät funktionell verbundenen weiteren Sensor(en) und enthaltend Bedien- und Anzeigemittel, eine Stromversorgung, eine Gasquelle für die Erzeugung von Blasen an mindestens einer Messkapillare, Mittel zum Erzeugen von Blasenfrequenzen oder Blasenlebensdauern (Oberflächenaltern) und eine Elektronik/ Prozessoreinheit für die Steuerung der internen Abläufe und Speicherung von Daten.
Die Blasenlebensdauer ist wie die Temperatur einer Probe ein signifikanter Parameter des Oberflächenspannungsmesswertes (die Begriffe Blasenlebensdauer und Oberflächenalter werden synonym verwendet und definieren die Zeit vom Minimum bis zum Maximum des Druckes in der Blase). Die Blasenfrequenz wird im Zusammenhang mit Blasendrucktensiometern nur noch aus Kompatibilitätsgründen oder bei weniger genauen Messungen verwendet. Dennoch spielt sie eine bedeutende Rolle, da das Reziproke der Blasenfrequenz neben der Blasenlebensdauer die sogenannte Totzeit enthält. Während der Totzeit, in der die über den minimalen Radius expandierte Blase weiter aufgeblasen wird, lagern sich weiterhin Grenzflächenaktiva an die Blase an, was zu einer Anfangsbelegung und damit insgesamt zu einer zu hohen Belegung der Grenzfläche der nächsten Blase führt. Um Messfehler zu minimieren, sollte die Totzeit bei der Blasendruckmethode daher gegen Null gehen.
Bei einer speziellen Blasendruckmethode, der Differenzdruckmethode an einer Kapillare, wird als Bezugsdruck für den maximalen Blasendruck das Druckminimum anstelle des hydrostati schen Druckes verwendet. Die Methode ist für Handmessgeräte besonders geeignet, da die Eintauchtiefe der Kapillare in die Probe keine signifikante Rolle spielt. Bei der gebräuchlichen Kalibrierung mit Wasser herrscht an der Blase sowohl beim Druckmaximum als auch beim Druckminimum die selbe Oberflächenspannung. Dies muss zum Erzielen einer linearen Übertragungskennlinie auch in Tensidlösungen gelten. Somit muss bei der Differenzdruckmethode auch während der Totzeit eine Tensidadsoption möglich sein, d.h. die Totzeit kann nicht gegen Null gehen. Vielmehr sollte sie, um systematische Messfehler zu minimieren, so dimensioniert sein, dass die Totzeit größer Null, aber (in Wasser) nicht größer als die Blasenlebensdauer ist.
Zum Stand der Technik ist das Blasendrucktensiometer Pocket Dyne^® (Fa. Krüss GmbH Wissenschaftliche Laborgeräte, 22453 Hamburg, DE) als Handmessgerät bekannt, das aus nur einem Gehäuse besteht und auf Grund seiner Ausrüstung mit einer manuellen Einstellmöglichkeit des elektrischen Betriebsstromes der integrierten Luftpumpe befähigt ist, Blasen mit verschiedenen Blasenfrequenzen bzw. Blasenlebensdauern (Oberflächenaltern) zu erzeugen. Durch das Geräteverhalten bedingt, z.B. durch Erwärmung der Pumpe, oder durch Veränderung der Oberflächenspannung variiert jedoch die eingestellte Blasenfrequenz bzw. Blasenlebensdauer innerhalb einer Messung. Das heißt, die Blasenfrequenz bzw. Blasenlebensdauer neigt zum Driften. Ein verlässliches Erreichen eines Sollwertes der Blasenlebensdauer und damit ein erreichbarer möglichst kleiner Messfehler des Wertes der dynamischen Oberflächenspannung obliegt dem Anwender, sowohl was die manuelle Einstellung der gewünschten Blasenfrequenz bzw. Blasenlebensdauer betrifft, als auch die Beobachtung eines möglichen Abdriftens und ein entsprechendes Nachstellen betreffend.
Bei diesem Gerät beträgt die Totzeit der Blase in Wasser konstruktionsbedingt ein mehrfaches der Blasenlebensdauer, was in Tensidlösungen eine hohe Anfangsbelegung der jeweils neuen Blasenoberfläche mit Tensiden zur Folge hat. Der Anteil der Totzeit variiert mit veränderlicher Oberflächenspannung sowie mit dem Benetzungszustand der Kapillare.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die Messgenauigkeit und die Handhabung eines Handmessgerätes zum Messen der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten oder der Stoffkonzentration in einer Flüssigkeit zu verbessern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen 1 und 2 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausprägungen geben die Unteransprüche an.
Das Regeln der Blasenlebensdauer durch ein nur aus einem Gehäuse bestehenden Hand-Blasendrucktensiometer ist bisher nicht bekannt. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wirkt gerade im Handbetrieb der Vorteil einer geregelten Blasenlebensdauer als Bezugsgröße für den Messwert.
Das erfindungsgemäße Handmessgerät enthält daher in einem Gehäuse Mittel, wie z.B. Pumpen oder Ventile, zum automatischen Regeln der Blasenlebensdauer nach einem Sollwert und/oder einer Reihe nacheinander einstellbarer Sollwerte der Blasenlebensdauer bzw. Blasenfrequenz.
In einer Ausprägung arbeitet es nach der einleitend beschriebenen Differenzdruckmethode, wobei die Totzeit im Bereich zwischen 1/4 und 1/1 der Blasenlebensdauer liegt.
Nach einer weiteren Ausprägung der Erfindung ist das Handmessgerät nur für eine einzige Blasenlebensdauer konzipiert oder in administrativer Weise einstellbar, wodurch in vorteilhafter Art bei z.B. definierten Messaufgaben eine irrtümlich falsche Blasenlebensdauer gerätetechnisch ausgeschlossen wird.
Um den technischen Aufwand des Gerätes weiter zu reduzieren, ist es nach einer weiteren Ausbildung möglich, anstelle einer geregelten Blasenrate eine ungeregelte Serie von Blasen mit abnehmender Blasenrate zu bilden, indem ein Gasspeicher über die Kapillare entleert wird. Die nicht interessierende(n) Blasenlebensdauer(n)/Frequenz(en) werden verworfen. Der Gasspeicher kann zum Start der Messung aus einer Quelle (z.B. einer selbstsperrenden Membranpumpe) aufgeladen werden, wonach das Gas langsam über die Kapillare entweicht. Alternativ kann ein bereits gefüllter Gasspeicher gezielt über ein einfaches Schaltventil zur Kapillare hin geöffnet werden. Eine Serie von Blasen mit zunehmender Blasenrate kann erreicht werden, wenn der Gasspeicher während der Messung schneller gefüllt wird, als das Gas über die Kapillare(n) entweicht, das heißt, der Druck in ihm ansteigt. Diese Realisierungen ermöglichen eine noch handlichere Gestaltung des Gerätes, etwa in der Form eines Stiftes o.ä.
Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Die zugehörigen Zeichnung zeigt in:
1 ein Handmessgerät, bestehend aus nur einem Gehäuse, mit einer Kapillare,
2 ein Handmessgerät in der Form eines Stiftes und
3 das Drucksignal bei einer Blasendruckmethode mit den Größen Maximaldruck p_max, Minimaldruck p_min, hydrostatischer Druck p_h, Blasenlebensdauer (Oberflächenalter) t_life und Totzeit t_tot.
Das Handmessgerät nach 1 besitzt ein in der Hand zu haltendes oder an einem Stativ zu befestigendes Gehäuse 1, in dem alle Komponenten, die zum Betrieb des Messgerätes benötigt werden, integriert sind. Dazu gehören eine Elektronik mit programmierter Gerätesoftware, die zur Erzielung eines Gasflusses erforderliche Pneumatik, Nutzerschnittstellen in Form einer Bedientastatur und einer Anzeige. Nicht dargestellt sind eventuelle Schnittstellen zu einem PC und eine Anschlussmöglichkeit für die Spannungsversorgung sowie ein integrierter Energiespeicher für den mobilen Betrieb. Am Gerät ist mindestens eine Kapillare 2 angeschlossen.
In einer weiteren Ausprägung enthält das Gehäuse einen Gasspeicher, der vorzugsweise ungeregelt oder auch geregelt über die Messkapillare entladen oder während der Messung aufgeladen wird.
2 zeigt eine besonders miniaturisierte Bauform eines mobilen Handmessgerätes in Form eines Stiftes, die z.B. durch das Verzichten auf Stellventile sowie die Verwendung von Mikromembranpumpen ermöglicht würde.
In 3 ist das Blasendrucksignal einer sich an einer Kapillare ausbildenden Blase dargestellt. Mit Auswölbung der Blase bis zur Halbkugel steigt der Druck in der Blase an, und fällt mit fortschreitendem Aufblähen der Blase bis zum Blasenabriss von der Kapillare wieder ab. Die in der Zeit bis zum Erreichen des Druckmaximums erfolgende Belegung mit Tensiden bestimmt den Wert des mit der dynamischen Oberflächenspannung korrelierenden Druckmaximums. Die verbleibende Totzeit t_tot ist bei der klassischen Blasendruckmethode, bei der der Maximaldruck p_max auf den hydrostatischen Druck p_h bezogen wird, im Verhältnis zur Blasenlebensdauer sehr klein. Bei der Differenzdruckmethode, bei der der Maximaldruck p_max auf das Druckminimum p_min bezogen wird, ist die Totzeit wesentlich länger, um auch unter Tensideinfluss eine lineare Übertragungskennlinie (Differenzdruck p_max–p_min) zu schaffen. Die Totzeit sollte jedoch nicht wie dargestellt den Wert der Blasenlebensdauer wesentlich überschreiten.

Claims

Handmessgerät zum Messen der Oberflächenspannung einer Flüssigkeit oder einer Stoffkonzentration in einer Flüssigkeit nach der Blasendruckmethode, aufweisend ein Gehäuse in der Ausführung eines Handmessgerätes mit mindestens einer am Gehäuse vorzugsweise auswechselbar befestigten Messkapillare sowie gegebenenfalls mit einem oder mehreren mit dem Messgerät funktionell verbundenen weiteren Sensor(en) und enthaltend Bedien- und Anzeigemittel, eine Stromversorgung, eine Gasquelle für die Erzeugung von Blasen an mindestens einer Messkapillare, Mittel zum Erzeugen von Blasenfrequenzen oder Blasenlebensdauern (Oberflächenaltern) und eine Elektronik/Prozessoreinheit für die Steuerung der internen Abläufe und Speicherung von Daten, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum automatischen Regeln der Blasenlebensdauer (Blasenfrequenz) oder einer Folge veränderlicher Blasenraten nach einem oder mehreren Sollwert(en) vorhanden sind.
Handmessgerät zum Messen der Oberflächenspannung einer Flüssigkeit oder einer Stoffkonzentration in einer Flüssigkeit nach der Blasendruckmethode, aufweisend ein Gehäuse in der Ausführung eines Handmessgerätes mit mindestens einer am Gehäuse vorzugsweise auswechselbar befestigten Messkapillare sowie gegebenenfalls mit einem oder mehreren mit dem Messgerät funktionell verbundenen weiteren Sensor(en) und enthaltend Bedien- und Anzeigemittel, eine Stromversorgung, eine Gasquelle für die Erzeugung von Blasen an mindestens einer Messkapillare, Mittel zum Erzeugen von Blasenfrequenzen oder Blasenlebensdauern (Oberflächenaltern) und eine Elektronik/Prozessoreinheit für die Steuerung der internen Abläufe und Speicherung von Daten, dadurch gekennzeichnet, dass als Gasquelle ein Gasspeicher dient, der während der Messung füllbar oder aus einem gefüllten Zustand heraus über die Messkapillare(n) entleerbar ist, um eine Abfolge von Blasen mit zunehmender oder abnehmender Blasenrate zu erzielen.
Handmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Totzeit bei einem nach der Differenzdruckmethode arbeitenden Gerät im Bereich zwischen 1/4 und 1/1 der Blasenlebensdauer liegt.
Handmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine einzige Blasenlebensdauer oder Blasenfrequenz einstellbar, vorgebbar oder auswertbar ist.
Handmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beliebige Blasenlebensdauern oder Blasenfrequenzen einstellbar, vorgebbar oder auswertbar sind.