DE2146613B2 - Verfahren und vorrichtung zur messung von elektrolytkonzentrationen durch quellung einer ionenaustauschermembran - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Konzentration einer Elektrolytlösung mit Hilfe J r durch osmotische Effekte bedingten Quellung einer ionenaustauschermembran, die sowohl für sich allein als auch an einen Träger gebunden vorliegen kann.

Es ist bekannt, die Konzentration einer Lösung mit Hilfe des Quellungszustandes einer Ionenaustauschermembran zu bestimmen (DT-AS 16 73 240). Grundlage dieses Meßverfahrens ist die Tatsache, daß die an die Membranmatrix fest gebundenen Ionen das Bestreben haben, sich mit einer Hydratationshülle zu umgeben. Sie stehen dabei in Konkurrenz zur umgebenden Lösung und tauschen mit dieser so lange Wasser aus, bis der osmotische Druckunterschied zwischen Lösung und 613

Ionenaustauschermembran dem Quellungsdruck der Matrix die Waage hält Dieser Quellungsdruck ist Ausdruck des Spannungszustandes der Matrix, der in Relation zur Dehnung entsteht.

Spannt man das eine Ende einer streifenförmigen Ionenaustauschermembran ein und setzt das andere unter eine konstant wirkende Zuglast, so verändert sich die Länge des Streifens mit der Konzentration aer umgebenden Lösung reversibel. Die Position des freien Endes der Membran ist also eine eindeutige Funktion der Konzentration der Lösung.

Es ist ferner bekannt, die Formänderung einer streifenförmigen Ionenaustauschermembran zur Konzentrationsmessung zu benutzen, die nach Art eines Bimetallstreifens aus einem neutralen, verbiegbaren Trägermaterial und darauf angebrachten lonenaustauschermembran-Streifen besteht (DTPS 12 64 823). Entsprechend der konzentrationsbedingten unterschiedlichen Quellung der beiden Schichten ändert sich die Krümmung des Streifens mit der Konzentration der umgebenden Lösung. Bei Festlegung eines Endes des Strejfens kann die Position des freien Endes zur Besum mung der Konzentration der Lösung benutzt werden.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die konzentra tionsbedingte Quellung einer Ionenaustauschermembran in ein ablesefähiges Signal umzuwandeln. So kann man in den geschilderten Beispielen streifenförmiger Anordn-mgen das freie Ende über eine Skala streichen lassen und von dieser unmittelbar die Position ablesen. Empfindlicher wird die Ablesung, wenn man die Bewegung des freien Endes übersetzt und auf einen Zeiger überträgt, der eine Skala überstreicht.

Man kann die Bewegung des freien Endes des Membranstreifens optisch abtasten und vergrößert auf einer Skala abbilden. Schließlich sei noch die Möglichkeit erwähnt, mit dem freien Ende einen Permanentmagneten oder eine Induktionsspule in einem festen Spulensy stern zu bewegen und so die Position der Membran elektromagnetisch abzutasten; diese Methode eignet sich besonders zur Fernanzeige und zur Auslösung von Regelvorgängen.

Das letztgenannte Verfahren hat jedoch auch einige Nachteile. So ist die Messung gegen alle magnetischen Störungen empfindlich, und die genaue Ausmessung der Position der Membran erfordert einen relativ großen technischen Aufwand.

Es stellte sich daher die Aufgabe, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem sich die Position der Membran störungsfrei, genau und bequem ausmessen läßt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der die Membran umgebenden Elektrolytlösung mit Hilfe zweier fest angeordneter Spannungskontakte ein Wechselspannungsfeld erzeugt wird und die jeweilige Stellung der verankerten Membran mit Hilfe einer Wechselpotentialsonde, die aus einem an einer sich bewegenden Stelle der Membran angeordneten dritten Spannungskontakt gebildet wird, relativ zur umgebenden Lösung bestimmt wird.

Diese erfindungsgemäße Lösung überracht insofern, als die Leitfähigkeit der Lösung von der Konzentration und der Temperatur im hohen Maße abhängt.

Die drei Spannungskontakte bilden einen mit der Konzentration veränderlichen Spannungsteiler, dessen Teilungsverhältnis jedoch rein geometrisch bestimmt ist und folglich nicht von der Temperatur und der Leitfähigkeit der Lösung abhängt. Durch Vergleich dieses Spannungsteilers mit einem justierbaren weiteren Spannungsteiler in einer Brückenschaltung kann man

leicht und in bekannter Weise ein elektrisches Signal gewinnen, das den Quellungszustand der Membran charakterisiert und damit auch ein Maß für die Konzentration gibt Dieses Signal eignet sich nach eventueller Verstärkung besonders zur Fernanzeige.

Zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtungen sind in den Pateitansprüchen 2 bis 5 beschrieben. Im folgendem wird die Erfindung an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert Bei der in F i g 1 gezeigten Anordnung ist eine homogene, streifenförmige Membran 1 einseitig bei 2 fest verankert und wird durch Federkraft 4 gespannt Das bewegliche Ende 5 trägt einen Wechselspannungskontakt 8 in Form eines dünnen, gegebenenfalls aufgerauhten oder platinierten Drahtes aus einem in der Flüssigkeit beständigem Metall. Obwohl auch ein flächenhaft ausgebildeter Kontakt verwendet werden kann, ist doch die Positionsbestimmung um so schärfer, je punktförmiger der Kontakt ist. In der Bewegungsrichtung der Membran iind zwei Wechselspannungskcntakte 6 und 7 fest angeordnet, und zwar derart, daß der bewegliche Kontakt 8 die Meßstrecke zwischen 6 und 7 teilt. Die beiden festen Kontakte 6 und 7 dienen gleichzeitig zur Einspeisung des Wechsel stromes, wozu man sie ebenfalls mit einer möglichst großen Oberfläche in Form einer porösen oder aufgerauhten Schicht versieht 3 und 9 stellen Elemente der Gefäßwand dar.

In F i g. 2 ist eine Vorrichtung dargestellt, bei der eine lonenaustauscherschicht 12 außen fest oder stellenweise befestigt auf einem wenig oder n<cht quellbaren Streifen 11 aufgebracht ist. Dieser Streifen krümmt sich unterschiedlich in unterschiedlich konzentrierten Lösungen und bewegt dabei einen Wechselspannungskontakt 13 im Feld zweier fest angeordneter Kontakte 14 und 15. Die rdckstellende Federwirkung übernimmt hier der Streifen il.

Nachteilig ist bei der Anordnung nach F i g. 2, daß der Kontakt 13 auf einer gekrümmten Raumkurve geführt wird. Eine Geradführung erzielt man durch die Anordnung von BikunststofIstreifen, wie sie in F i g. 3 dargestellt ist

Zwei wenig oder nicht quellbare Streifen 21 sind außen mit lonenaustausehermembran-Streifen 22 belegt Sie sind an den Enden beweglich so miteinander verbunden, daß die lonenaustauscherstreifen nach außen zeigen. Die Mitten der sich O-förmig ausbiegenden Streifen tragen zwei Kontakte 23 und 24, von denen einer mit der Membran fest im Elektrolvtgefäß 26, der andere mit der Membran beweglich angeordnet ist. 25 stellt einen am Wandelement 27 befestigten dritten Kontakt dar. Bei Konzentrationsänderungen ändert sich die Position des beweglichen Kontakts 23 und damit das Spannungsteiler-Verhältnis der Kontakte 23.24 und 25.

Die Ionenaustauschermembran sitzt außen auf, wenn sie im kontrahierten Zustand innerhalb einer konzentrierten Lösung auf den wenig oder nicht quellenden Streifen aufgebracht wird. In schwächer konzentrierten Lösungen quillt sie dann. Bringt man hingegen die Ionenaustauschermembran im Gleichgewichtszustand mit Wasser auf den nicht oder wenig quellenden Streifen auf, so kontrahiert sie in Elektrolytlösungen. In diesem Fall muß die Membran innen liegen.

Das Verfahren kann in beliebigen Elektrolytlösungen angewendet werden. Besonders eignet es sich zur Konzentrationsmessung und Regelung in Brennstoffzellen und zur Messung des Ladezustandes von Bleiakkumulatoren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche: 21

1. Verfahren zur Messung der Konzentration einer Elektrolytlösung mit Hilfe der durch osmotisehe Effekte bedingten Quellung einer Ionenaustauschermembran, die sowohl für sich allein als auch an einen neutralen Träger gebunden vorliegen kann, dadurch gekennzeichnet, daß in der die Membran umgebenden Elektrolytlösung mit Hilfe zweier fest angeordneter Spannungskontakte ein Wechsdspannungsfeld erzeugt wird und die jeweilige Stellung der verankerten Membran mit Hilfe einer Wechselpotentialsonde, die aus einem an einer sich bewegenden Stelle der Membran angeordneten dritten Spannungskontakt gebildet wird, relativ zur umgebenden Lösung bestimmt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer in der zu prüfenden Elektrolytlösung angeordenten, gegebenen falls an einen Träger gebundenen Ionenaustauschermembran, gekennzeichnet durch zwei Wechselspznnungskontakte (6, 7; 14,15; 24. 25) innerhalb der Elektrolytlösung in fixierter Stellung zu zumindest einem Punkt der Ionenaustauschermembran (1, 12, 22) und einem dritten, an einer sich bewegenden Stelle der Membran angeordneten Spannungskontakt (8, 13. 23), der mit den zwei fest angeordneten Kontakten einen Spannungsteiler bildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenaustauschermembran (1. 12) in Form eines Streifens ausgebildet ist. der am einen Ende fest eingespannt ist und am anderen beweglichen Ende den beweglichen Kontakt (8, 13. 23) trägt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (22) von zwei Bikunststoffstreifen (21) getragen wird, die mit den lonenaustauscherschichten nach außen spiegelbildlich 4U zueinander angeordnet und an den Enden miteinander beweglich verbunden sind, und daß die Mitte des einen Streifens einen der beiden fixierten Spannungskontakte (24) und die Mitte des anderen Streifens den beweglichen Spannungskontakt (23) trägt.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2. 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der aus den drei Span nungskontakten gebildete Spannungsteiler zusammen mit einem zweiten justierbaren Spannungsteiler in einer Brückenschaltung angeordnet ist. so