DE2211497C3

DE2211497C3 - Vorrichtung zum Filtrieren und zur Bestimmung des spezifischen Gewichts einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE2211497C3
Application number: DE2211497A
Authority: DE
Inventors: Poul Erik Dipl.-Ing. Hilleroed Aegidius (Daenemark)
Original assignee: NK Verwaltungs AG
Current assignee: NK Verwaltungs AG
Priority date: 1971-03-09
Filing date: 1972-03-09
Publication date: 1980-11-20
Also published as: GB1378081A; FR2129569A5; JPS5440946B1; DE2211497A1; US3815424A; DE2211497B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Filtrieren und zur Bestimmung des spezifischen Gewichts einer Flüssigkeit, insbesondere eines durch Naßvermahlen extrahierten Fetts in einem Lösungsmittel, mit einem in einer Kammer beweglichen, magnetisch beeinflußba-

ren Schwimmer.

Eine solche Vorrichtung ist insbesondere zur Bestimmung des Fett- oder Ölgehalts von Stoffen pflanzlicher oder tierischer Herkunft wie Bohnen, Getreide, Saatgut, Nüssen, Fleischwaren, Lebensmitteln und Futtermitteln verwendbar.

Der Fettgehalt eines Stoffs kann analytisch dadurch bestimmt werden, daß eine vermahlene, abgewogene Stoffmenge mit einem Fettextraktionsmittel, beispielsweise Äther oder Petroleumäther in Kontakt gebracht wird, wobei der Stoff selbst in Filtrierpapier eingeschlossen ist, so daß die Stoffteilchen nicht direkt mit dem Extraktionsmittel gemischt werden. Nach einer gewissen Zeit ist praktisch alles Fett der Probe in die Flüssigkeit extrahiert, wonach die Flüssigkeit abgedampft und die Fettmenge gewogen wird. Hiernach läßt sich der Fettprozent der Probe leicht berechnen. Die Extraktionszeit ist vom Vermahlungsgrad, von der Natur des Stoffs und von der Beschaffenheit der verwendeten Extraktionsvorrichtung abhängig. In der Literatur werden für eine vollständige Extraktion Extraktionszeiten von 2 bis 24 Stunden genannt Die Methode wird nach einer viel benutzten Extraktionsvorrichtung von Soxhlet häufig als Soxhlet-Methode bezeichnet

Diese Methode wird als Standardmethode für Fettbestimmungen benutzt In den verschiedenen Ländern bestehen mehrere Vorschriften, nach denen die Methode im Einzelnen durchzuführen ist (Vermahlung und Abwiegen der Probe, Einrichtung und Bedienung der Extraktionsvorrichtung, Abdampfverhältnisse m. w.). Diese Vorschriften können von Land zu Land und von Stoff zu Stoff schwanken. Die Standardmethode ist unter allen Umständen sehr langwierig, erfordert einen großen Arbeitsaufwand und ergibt nicht immer ganz richtige Ergebnisse, was verschiedenen Fehlerquellen zuzuschreiben ist Als solche sind zu nennen unvollständige Extraktion, Anwesenheit anderer Stoffe als Fett, Verdampfung leicht flüchtiger Fettsäuren und ätherischer öle, die sich der Messung entziehen m. w.

Wegen der langwierigen Analyse und der vielen Arbeitsoperationen, aus denen die Analyse besteht, ist im Handel mit Lebensmitteln und Futtermitteln und bei deren Verarbeitung die Standardmethode unpraktisch. Es bestand daher seit langer Zeit ein Bedarf für eine wesentlich schnellere und leichtere Methode zur Fettbestimmung. Man hat im Laufe der Zeit experimentell viele Schnell-Methoden und Vorrichtungen zur FettbestimmUiig entwickelt, wie auch dieses Gebiet lebhaft erforscht worden ist, was unter anderem aus der sehr reichhaltigen Literatur hervorgeht. Die bisher benutzten Methoden und Vorrichtungen haben verschiedene Mängel. Als solche sind insbesondere zu nennen ungenügende Genauigkeit und Einfachheit der Bedienung. Wenn auch ein Teil der bekannten Methoden mit Erfolg für orientierende Messungen verwendbar ist, hat bisher kein Land eine Schnell-Meßvorrichtung als Ersatz für die Standardmethode beim Handel mit den vorerwähnten fetthaltigen Stoffen anerkannt In vielen Ländern ist der Wunsch geäußert worden, diese Stoffe nach ihrem Fettgehalt abzurechnen, aber nur wenige Lär>^rie: -hen eine obligatorische Abrechnung beispielsweise von Soyabohnen, Erdnüssen m. w. auf der Grundlage des Fettgehalts eingeführt, was hauptsächlich dem Mangel an geeigneter Apparatur zur schnellen und zuverlässigen Fettbestimmung zuzuschreiben ist. In den Ländern, wo man bereits jetzt nach dem Fettgehalt abrechnet oder einen gewissen Fettgehalt in beispielsweise Futtermischungen garantiert hat man bisher die erwähnte Standardmethode benutzt die wie gesagt langsam und arbeitsaufwendig ist

In der Regel benutzt man bei den Schnell-Methoden — wie auch bei der Standardmethode — zum Ausziehen des Fetts eine Extraktionsflüssigkeit, Oftmals bedient man sich des sogenannten »Naßmahlens«, wobei eine abgewogene Menge ungemahlenen Stoffs, beispielsweise Soyabohnen, Erdnüsse, Raps oiier dergleichen in ίο einem sogenannten »Waring-Blender« zusammen mit einem abgemessenen Volumen Extraktionsflüssigkeit behandelt wird. Der Waring-Blender besteht aus einer geeigneten Kammer, in der mehrere Stahlmesser mit großer Geschwindigkeit umlaufen, wodurch das Material fein zerkleinert und mit der Extraktionsflüssigkeit .gemischt wird. Die Extraktionszeit kann in dieser Weise auf einige wenige Minuten verkürzt werden. Nach beendeter Extraktion wird der Kammerinhalt filtriert wonach am klaren Filtrat eine von der Fettkonzentration im Filtrat abhängige physikalische Eigenschaft beispielsweise die Dielektrizitätskonstante, der Brechungsindex oder das spezifische Gewicht gemessen wird. Auf der Grundlage dieser Messung kann man, wenn die eingewogene Stoffmenge und das benutzte Volumen Extraktionsflüssigkeit bekannt sind, den Fettprozent der Probe berechnen. Benutzt man stets eine konstante Gewichtsmenge Stoff und ein konstantes Volumen Extraktionsflüssigkeit, ist der Fettprozentgehalt des Filtrats proportional mit dem zu ermittelnden Fettprozent im Stoff. Der Zusammenhang zwischen der gemessenen physikalischen Eigenschaft des Filtrats und dem wirklichen Fettprozentgehalt des Stoffs wird in der Regel experimentell durch Messung einer Reihe von nach der Standardmethode analysierten Proben ermittelt

Eine (beispielsweise mit Hilfe des französischen »Oleometre« durchführbare) bekannte Ausführungsform der Wichtemethode wird wie folgt durchgeführt:

Eine abgewogene Probe von beispielsweise 50 g wird zusammen mit beispielsweise 100 ml Orthodichlorbenzin im Waring-Blender behandelt. Wenn alles Fett extrahiert ist, wird unter Druck filtriert, wonach das spezifische Gewicht des Filtrats mit einem Hydrometer gemessen wird. Die Temperatur des Filtrats wird gemessen, und der Einfluß der Temperatur auf das spezifische Gewicht wird korrigiert. Mittels einer Umrechnungstabelle wird aus dem korrigierten spezifischen Gewicht der Fettprozent der Probe ermittelt. Die Tabelle wird auf der Grundlage von Standardanalysen so des betreffenden Stoffs empirisch aufgestellt.

Das spezifische Gewicht des Fetts ist einigermaßen konstant 0,92, während das spezifische Gewicht von Orthodichlorbenzin etwa 1,31 beträgt. Man ersieht hieraus, daß die Wichte des Filtrats nach vollständiger Extraktion vom Fettgehalt der Probe abhängig ist.

Die Wichtemethode wird in der Literatur meistens als eine nicht ganz genaue Methode zur Fettbestimmung bezeichnet. Die Ergebnisse der mit der französischen Vorrichtung »Oleometre« durchgeführten Meßproben weichen denn auch verhältnismäßig stark von den nach der Standardmethode kontrollierten tatsächlichen Fettprozenten ab.

In der Form, in welcher die Wichtemethode mittels des »Oleomötre« ausgeführt wird, hat die Methode mehrere ernstliche Fehlerquellen:

a. Die Extraktion im Waring-Blender erfolgt nicht unter ideellen Verhältnissen. Im Blender werden vorzugsweise die Flüssigkeitsteilchen bearbeitet, wobei

die Stoffteilchen durch Zerschneidung und Schlagwirkung zerkleinert werden. Aus diesem Grund ist der Temperaturanstieg in der Flüssigkeit verhältnismäßig groß, was wiederum zu einem unkontrollierbaren Verdampfen von Extraktionsflüssigkeit führt. Es hat sich auch herausgestellt, daß die Stahlmesser des Blenders mit der Zeit stumpf werden, wodurch das Meßergebnis beeinträchtigt wird, indem die Reaktion innerhalb des vorbestimmten Zeitraums nicht mehr zum Abschluß kommt.

b. Da mit Rücksicht auf das Hydrometer eine große Menge Filtrat (mindestens 50 ml) erforderlich ist, beansprucht das Filtrieren viel Zeit selbst dann, wenn es unter Druck erfolgt Insbesondere der letzte Teil der Filtration, bei dem wegen der abfiltrierten Flüssigkeitsmenge die Konzentration des festen Stoffs in der Extraktionsflüssigkeit hoch ist, läuft nur sehr langsam ab. Während der langen Filtrationszeit kann auch eine gewisse Verdampfung des Extraktionsmittels stattfinden, wodurch wiederum das endgültige Meßergebnis beeinträchtigt wird. Die lange Filtrationszeit trägt dazu bei, daß man beim »Oleometre« hinsichtlich der ersten Probe mit einer Meßzeit von etwa 15 Minuten und hinsichtlich jeder späteren Probe mit einer Meßzeit von etwa 10—12 Minuten rechnet. Diese Wartezeit ist bei der Verarbeitung von Lebensmitteln und Futtermitteln und beim Handel mit diesen oft unpraktisch.

c. Die verschiedenen Fette haben etwas unterschiedliche Wichtewerte. So hat beispielsweise Raps ein spezifisches Gewicht von 0,908, währ<- d Soyabohnen ein spezifisches Gewicht von 0,919 aufweisen. Man kann zwar eine Umrechnungstabelle benutzen, die so eingerichtet ist, daß sie für jeden Stoff die bestmöglichen Messungen ergibt und dabei die spezifischen Gewichte der verschiedenen Stoffe korrigiert, aber auch innerhalb der gleichen Stoffgruppe können bezüglich des spezifischen Gewichts größere oder kleinere Schwankungen auftreten, indem beispielsweise die Wichte von Rapsöl im Bereich 0,906—0,910 schwanken kann. Bei anderen Stoffen können die Schwankungen wesentlich größer sein. Es liegt auf der Hand, daß die Unterschiede im spezifischen Gewicht des Fetts die endgültigen Ergebnisse um so weniger beeinflussen, je höher das spezifische Gewicht des Extraktionsmittels im Verhältnis zu dem des Fetts ist Es gibt Extraktionsflüssigkeiten, beispielsweise das Tetrachloräthylen, deren spezifisches Gewicht höher ist als das des Orthodichlorbenzins. Diese Flüssigkeiten haben jedoch oft einen niedrigen Siedepunkt so daß der Fehler durch Verdampfung beim Vermählen und Filtrieren zu groß wird, und das beim »Oleometre« verwendete französische System somit unbrauchbar isL< Die Wichte des Tetrachlorethylens beträgt 1,62, während die des Orthodichlorbenzins 131 beträgt, so daß die Verwendung des ersten Extraktionsmittels an Stelle des zweiten von Vorteil wäre.

d. Das Messen des spezifischen Gewichts mit Hilfe eines Hydrometers hat verschiedene Nachteile:

1. Die obengenannte erforderliche große Filtratmen-

Z Das Meßergebnis des Hydrometers ib.. von der Oberflächenspannung der Flüssigkeit abhängig, wobei die Oberflächenspannung wiederum von der Fettkonzentration und Temperatur abhängig ist

3. Zur Messung im gesamten Meßbereich (0—60% Fett) genügt nicht ein einzelnes Hydrometer, indem man drei oder mehr Hydrometer mit unterschiedlicher Skala und unterschiedlicher Eichung benötigt Es ist schwierig, mit diesen Hydrometern die erforderliche Genauigkeit und Linearität zu erzielen. Die Endpunkte der Skalen müssen genau zusammenfallen.

4. Das Arbeiten mit dem Hydrometer ist unpraktisch. Während des Messens ist dauernd darauf zu achten, daß das Hydrometer nicht die Wandinnenseite der Kammer berührt, in welcher sich das Filtrat befindet, da die bei der Berührung auftretende Reibung das Meßergebnis beeinträchtigen würde. Das Ablesen des Hydrometers ist schwierig, da das Anhaften der Flüssigkeitsoberfläche am Hydrometerstiel zu berücksichtigen ist (die Flüssigkeit »kriecht« auf Grund der Oberflächenspannung am Stiel hoch). Das Hydrometer muß nach jeder Messung sorgfältig getrocknet werden, um Übertragungsfehler von der einen Probe auf die nächste zu vermeiden.

5. Die Messung am Hydrometer muß hinsichtlich der Temperatur des Filtrats korrigiert werden, die mit einer Genauigkeit von 0,1° C gemessen werden muß. Die Temperaturkorrektion hängt von der Fettkonzentration im Filtrat ab, indem Extraktionsflüssigkeit und Fett nicht den gleichen Temperaturkoeffizient haben.

6. Das Arbeiten mit einer Umrechnungstabelle für jeden Stoff ist unzweckmäßig. Die Herstellung dieser Umrechnungstabellen auf der Grundlage von Standardanalysen erfordert einen großen Arbeitsaufwand. Es handelt sich einschließlich aller in der Lebensmittel- und Futtermittelindustrie verwendeten Gemische aus reinen und verarbeiteten Stoffen um mehrere Hundert verschiedene pflanzliche und tierische Stoffe.

7. Da das Hydrometer eine feste, nicht zu ändernde Skala hat muß gefordert werden, daß die Extraktionsflüssigkeit mit einer Genauigkeit von etwa 1 an der vierten Dezimalstelle des Wichtewerts stets das gleiche spezifische Gewicht hat Diese Forderung ist schwer zu erfüllen, es sei denn, man arbeitet mit einer völlig reinen Extraktionsflüssigkeit die jedoch sehr kostspielig ist

Aus den vorgenannten sieben Punkten muß geschlossen werden, daß Hydrometer bei Fettgehaltbestimmungen nach der Wichtemethode unpraktisch und ungenau sind.

Es sind außerdem Vorrichtungen zur magnetischen Messung des spezifischen Gewichts bekannt, vgl. beispielsweise den Artikel von James P. Senter: »Magnetic Densimeter Utilizing Optical Sensing«, The Review of Scientific Instruments, Februar 1969, p. 334—338. Die bekannten Apparate dieser Art sind jedoch schwierig zu handhaben, erstens weil sich der Schwimmer im homogenen Magnetfeld nur langsam und träge bewegt und die Gefahr der Berührung des Schwimmers mit dem die zu untersuchende Flüssigkeit enthaltenden Gehäuse besteht, zweitens weil wegen des unterschiedlichen Schwimmerumfangs und -gewichts an die Kalibrierung der Apparate besondere Anforderungen gestellt werden, und drittens weil eine sehr genaue Stabilisierung des der Magnetspule zugeführten Stroms erforderlich ist

Die bekannten Wichtemesser sind für unklare Flüssigkeiten ungeeignet, es sei denn, daß mit einer komplizierten Servosteuerung des Schwimmers mit Hilfe von in der Nähe des Schwimmer-Magneten angeordneten »Tastspulen« gearbeitet wird. Die bekannten Wichtemesser arbeiten mit konventionellen Flüssigkeitsthermostaten, was den Aufbau der Vorrichtungen wesentlich kompliziert

Die bekannten Wichtemesser sind nicht in der Lage,

ohne besondere komplizierte Reinigung zwischen den Proben kleine Flüssigkeitsmengen zu messen.

Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaffung einer nach der Massenwichtemethode arbeitenden Vorrichtung, mit der praktisch die gleiche Genauigkeit wie bei der Standardmethode erzielbar ist und die Meßzeit per Probe nur etwa 3—4 Minuten beträgt. Die Vorrichtung soll von ungeschultem Personal bedienbar sein und weniger Fehlerquellen involvieren als die bei der Standardmethode benutzten Vorrichtungen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schwimmerkammer und ein über dieser angeordnetes und an die Kammer angeschlossenes Filter in einem mit einer Thermostatregelung versehenen, im wesentlichen massiven Metallkörper oder Metalibiöck angeordnet sind. Hierdurch wird erreicht, daß die Temperatur in der Schwimmerkammer innerhalb sehr enger Grenzen konstant gehalten werden kann, und daß das Filtrat vom Filter sehr schnell diese Temperatur annimmt. Verdampfungsverluste vom Filtrat werden auf ein Mindestmaß begrenzt, und die Filtration und Messung können in einem praktisch geschlossenen System durchgeführt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 in etwas schematisiertem Schnitt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

F i g. 2 im Schnitt das in der Vorrichtung benutzte Filter, dessen Teile auseinander gezeichnet sind, und

F i g. 3 ein Blockschema zur Darstellung der Stromkreise der Verrichtung.

Die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung weist einen zylindrischen Aluminiumblock 10 auf, der eine Schwimmerkammer 20, eine Filterkammer 30 und eine Spülkammer 40 enthält Der Block 10 ist in einem Gehäuse 11 montiert, dessen eine Seitenwand mit Rücksicht auf die Ventilation aus einer perforierten Platte besteht Der Block 10 wird von zwei im Gehäuse 11 montierten Lampen L1 und L 2 mit hinter diesen befindlichen Reflektoren 12 und 13 durch Strahlung erwärmt. In einem radialen Kanal 14 im Block 10 ist ein Thermistor 51 angeordnet der in bekannter Weise über eine Brückenschaltung 52, F i g. 3, einen Verstärker 53 und ein Relais 54 die Stromzufuhr zu den Lampen L1 und L 2 so steuert daß die Temperatur des Blocks 10 konstant gehalten wird. Der Block 10 ist schwarz eloxiert um die Ausstrahlung zu erhöhen, was sich hinsichtlich einer genauen Temperaturregelung als zweckmäßig erwiesen hat

Durch Verwendung von Lampen als Wärmequelle vermeidet man die Nachheizprobleme, die bekanntlich bei anderen Heizelementtypen auftreten. Der Thermistorkanal 14 liegt in Wirklichkeit rechtwinlig zu einer durch die Lampen L i, L 2 verlaufenden Ebene, befindet sich aber in F i g. 1 der Übersichtlichkeit halber in der Ebene der Lampen L1, L 2. Der Thermistor 51 befindet sich am inneren Ende des Kanals 14 in unmittelbarer Nähe der Schwimmerkammer 20, wo die am weitesten gleichbleibende Temperatur erwünscht ist

Bei einer solchen Thermostatregelung ist mit einfachen und billigen Mitteln eine sehr hohe Genauigkeit gewährleistet Die Temperatur kann innerhalb eines Bereichs von 0,03—0,05° C konstant gehalten werden, was für den vorliegenden Zweck reichlich genau ist

Im oberen Teil des Blocks 10 findet sich die oben

offene zylindrische Filterkammer 30 mit einem als

flacher Trichter 31 ausgebildeten Filterkammerboden, der das Filtrat zur Schwimmerkammer 20 hinab leitet.

Am oberen Ende der Schwimmerkammer 20 ist ein Rezeß 21 mit einer in diesen eingelegtenAkrylscheibe 22 vorgesehen, die an ihrem Rand entlang Durchflußlöcher 22a aufweist.

In die Filterkammer 30 ist ein in F i g. 2 dargestelltes Filtergehäuse einsetzbar, das aus einem Zylinder 32 aus Kunststoff und einer Lochplatte 33, beispielsweise aus Aluminium besteht. Diese Platte 33 dient zur Unterstützung einer Filtrierpapierscheibe 37 und weist mehrere Löcher 33a auf, die so groß sind, daß man ein effektives Filterareal geeigneter Größe erhält und das Papier sicher unterstützt wird. Die Lochplatte 33 hat einen hochragenden Rand mit einem inneren Rezeß 38, in den die Filtrierpapierscheibe 37 eingelegt wird. Danach wird der Zylinder 32 auf die Lochplatte 33 hinabgedrückt, wobei er in einem etwa 12 mm hohen Rand an der Lochplatte 33 geführt wird. Beim Herabschieben des Zylinders 32 auf die Lochplatte 33 wird die äußere Kante der Papierscheibe 37 umgebogen, wodurch eine gute Abdichtung erzielt wird, während der übrige Teil der Papierscheibe 37 an der durchlochten Fläche eben anliegt. Ein in den Zylinder 32 passender loser Stempel 34 mit einem O-Dichtungsring kann wie nachstehend beschrieben in den Zylinder 32 hinabgeschoben werden.

Die Schwimmerkammer 20 wird durch eine axiale Bohrung im Block 10 gebildet und kann beispielsweise einen Durchmesser von 12 mm haben. In der Schwimmerkammer 20 findet sich ein hohler Glasschwimmer 23, der oben durch eine Spitze 23a abgeschlossen ist und einen kleinen Dauermagneten 24 enthält, der wie nachstehend beschrieben von einem von zwei Spulen 51 und 52 ausgehenden Magnetfeld beeinflußt wird. Die Spulen sind in zwei jeweils unterhalb und oberhalb des Magneten 24 befindlichen Rillen 15 bzw. 16 im Block 10 gewickelt

Ein Bodenpfropfen 25 in der Schwimmerkammer 20 hat eine ebene obere Fläche 26, auf welcher der Schwimmer 23 ruhen kann. Unter dieser Fiäche 26 weist der Pfropfen 25 einen Querkanal 27 auf, der mit einem engen Ablaufrohr 28 in Verbindung steht. Unter der Akrylplatte 22 ist ein mit einem Luftkanal 29a und einer Ablaufleitung 296 verbundener Überlaufkanal 29 vorgesehen, der den Flüssigkeitsstand 20a in der Schwimmerkammer 20 festlegt.

Das Ablaufrohr 28 endet in der Nähe des Bodens der Spülkammer 40, deren Volumen wesentlich größer ist als das den Schwimmer 23 umgebende Flüssigkeitsvolumen (beispielsweise ca. 3 m!) der Schwimmerkammer 20. Die Spülkammer 40 hat oben einen Luftkanal 41 mit einer Entlüftungsleitung 42, die wie der Luftkanal 29a an der Oberseite des Gehäuses 11 mündet Eine Ablaufleitung 43 vom Boden der Spülkammer 40 weist ein mittels eines Handrades 44 sowie eines Elektromagneten 45a, F i g. 3, zu öffnendes Ventil 45 auf.
An der Gehäuseoberseite findet sich ein in Gleitschienen 18 verschiebbares Kopfstück 17 mit einer senkrechten Spindel 35, die mittels eines Spindelkopfes 36 auf den Filterstempel 34 herabschraubbar ist. Das Kopftstück 17 weist außerdem eine Linse 19 und eine Lampe L 3 auf, die, wie nachstehend beschrieben, zur Beobachtung der Schwimmerbewegung dienen. Das Kopfstück 17 kann in drei verschiedene Stellungen verschoben werden, nämlich eine freie Stellung, in welcher die Filterkammer 30 zum Einsetzen und

Herausnehmen des Filtergehäuses zugänglich ist, eine Druckstellung, in der sich die Spindel 35 zentrisch über dem Stempel 34 des eingesetzten Filtergehäuses befindet, sowie eine Ablesestellung, in der sich nach Herausnahme des Filtergehäuses die Linse 19 zentral ο über der Filterkammer 30 und der Schwimmerkammer 20 befindet, während die Lampe L 3 die Akrylplatte 22 und die Flüssigkeitsoberfläche 20a beleuchtet.

Das Blockschema in Fig.3 veranschaulicht den elektrischen Stromkreis der Vorrichtung. ι ο

Eine an ein Stromnetz mit 220 V Wechselstrom angeschlossene Stromversorgungseinheit 50 gibt die in den verschiedenen elektronischen Kreisen benötigten Gleich- und Wechselstromspannungen ab. Die Heizlampen Li und L 2 werden mit der Netzspannung von 220 V gespeist und, wie vorstehend erwähnt, vom Thermistor 51 über die Brückenschaltung 52, den Verstärker 53 und das Relais 54 gesteuert.

Die beiden Meßspulen 51 und 52 sind an Spannungsstabilisatoren 55 und 56 angeschlossen, die, wie nachstehend beschrieben, durch ein Referenzelement 57, zwei einstellbare Widerstände Pl und P 3 sowie ein lineares Potentiometer F4 mit einem Einstellknopf mit Digitalablesung, beispielsweise mit drei Zifferpositionen gesteuert werden.

Schließlich sind ein eine nachstehend beschriebene Rückspule SR steuernder Zeitschaltkreis 58 sowie ein anderer Zeitkreis 59 vorgesehen, der den Elektromagneten 45a zur Betätigung des Ventils 45 steuert. Diese verschiedenen Kreise sind konventionell ausgebildet jo und sollen daher nicht näher beschrieben werden.

Die vorstehend beschriebene Vorrichtung ist insbesondere zur Benutzung zusammen mit einer in einer parallellaufenden Anmeldung beschriebenen Vermahlvorrichtung bestimmt, weshalb die in Verbindung mit diesen beiden Vorrichtungen entwickelte Methode zum Messen des spezifischen Gewichtes zwecks Bestimmung des Fettgehaltes von Stoffen im Zusammenhang beschrieben werden soll.

Für diese Methode hat man zunächst eine Extraktionsflüssigkeit gewählt, die folgenden Forderungen entsprechen soll:

1. Hohes spezifisches Gewicht (um den Einfluß von Schwankungen des spezifischen Gewichtes des Fettes zu reduzieren). ⁴^

2. Gute fettextrahierende Eigenschaften — hierunter gutes Eindringungsvermögen in die Stoffteilchen und niedrige Viskosität.

3. Die Flüssigkeit soll nach Möglichkeit die gleichen Stoffe extrahieren wie bei der Standardmethode ^5U benutzter Petroleumäther.

4. Die Flüssigkeit darf nicht Wasser aufnehmen.

5. Hoher Siedepunkt (zur Vermeidung von Ungenauigkeiten durch Verdampfung).

6. Niedrige Toxizität

7. Die Flüssigkeit darf keinen unangenehmen Geruch haben.

8. Die Flüssigkeit darf weder explosiv noch feuergefährlich sein.

9. Sie muß billig im Einkauf und leicht zu beschaffen sein sowie eine gute Stabilität haben.

Als bestes Extraktionsmittel hat man den Stoff Tetrachloräthylen gefunden, der ein spezifisches Gewicht von 1,62 hat, das also wesentlich höher ist als das spezifische Gewicht 1,31 des bisher benutzten Stoffes Orthodichlorbenzin. Tetrachloräthylen wird als chemisches Reinigungsmittel viel verwendet und ist überall

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60 erhältlich. Die technische Qualität dieses Stoffes ist, falls brauchbar, sehr billig, ihr spezifisches Gewicht schwankt jedoch ziemlich stark, was bei der Fettbestimmungsmethode zu berücksichtigen ist (siehe dieserhalb weiter unten). Die Flüssigkeit entspricht praktisch allen obengenannten Anforderungen an eine gute Extraktionsflüssigkeit, vielleicht abgesehen von Punkt 5 »hoher Siedepunkt«. Der Siedepunkt von Tetrachloräthylen liegt bei 121°C, d.h. wesentlich höher als der Siedepunkt des bei der Standardmethode benutzten Äthers und Petroleumäthers, jedoch *o niedrig, daß die Extraktion, die Filtrierung und die Wichtemessung zur Vermeidung einer unkontrollierbaren Verdampfung und somit eines unsicheren Meßergebnisses in geschlossenen Behältern durchgeführt werden müssen.

Die Nachteile des Waring-Blenders sind bereits erwähnt. Hier wird die Vermahlvorrichtung zur Extraktion benutzt. Die Flüssigkeit und der Stoff werden einer zylindrischen Kammer aufgegeben, deren eine Stirnwand abnehmbar und mit einem dichtenden O-Ring versehen ist. In der Kammer kann sich ein zylindrisches Gewicht im Verhältnis zur Kammer axial bewegen, indem das Gewicht von einer auf der Kammerachse liegenden Stahlstange geführt wird.

Die Kammer mit dem in dieser befindlichen Gewicht wird mittels eines Exzenters in hin- und hergehende Bewegung versetzt.

Im Gegensatz zum Waring-Blender werden in dieser Vermahlvorrichtung vorzugsweise die Sloffteilchen und in weit geringerem Ausmaß die Flüssigkeitsteilchen bearbeitet, so daß die Temperaturerhöhung viel kleiner ist. Hierdurch vermeidet man Meßfehler durch Verdampfen von Flüssigkeit beim Umschütten des Inhaltes aus der Vermahlvorrichtung in den Filtrierapparat. Die Kammer muß während ihrer Bewegung dicht verschlossen sein, da sonst Flüssigkeit verdampft und aus der Kammer herausspritzt.

Die Größe der Kammer und des Gewichtes sind von der Menge des Probestoffes abhängig. Es hat sich herausgestellt, daß zur Gewährleistung ausreichender Sicherheit bei der Entnahme von Proben aus einem ungleichartigen Material eine Probemenge von etwa 45 g erforderlich ist Hierfür werden 120 ml Tetrachloräthylen benötigt. Dieses Volumen ist aus folgenden Gesichtspunkten gewählt:

a) Eine zu kleine Flüssigkeitsmenge im Verhältnis zur Stoffmenge ergibt ein zu dickflüssigem Gemisch, was bei der nachfolgenden Filtrierung Schwierigkeiten mit sich führt.

b) Eine zu große Flüssigkeitsmenge erfordert eine große Reaktionskammer, so daß Probleme bei der Vibration einer großen Masse entstehen. Außer dem sind zu große Flüssigkeitsmengen für den Benutzer unpraktisch (Transport, Preis, Aufbewahrung m. w.).

In der vorbeschriebenen Vermahlvorrichtung ist bei schwierig extrahierbaren Stoffen in 2 Minuten und bei normalen Stoffen in 1,5 Minuten eine vollständige Extraktion durchführbar. Für eine entsprechend vollständige Extraktion im Waring-Blender benötigt man 6 bis 10 Minuten, wobei ein beträchtlicher Temperaturanstieg zu verzeichnen ist, der wegen der Verdampfung zu Meßfühlern führt Außerdem können beim Waring-Blender stumpfe Messer Meßfehler verursachen.

Haben Flüssigkeit und Gewicht eine Anfangstemperatur von ca. 20⁰C, beträgt die Endtemperatur des Flüssigkeitsgemisches nach Beendigung der Reaktion

etwa 37 bis 40⁰C. Bei dieser Temperatur findet beim Umschütten der Flüssigkeit keine meßbare Verdampfung statt Das Flüssigkeitsgemisch wird in das in die Filterkammer 30 eingesetzte Filtergehäuse geschüttet, wonach der lose Stempel 34 eingesetzt, das Kopfstück 17 über das Filtergehäuse geschoben und der Stempel 34 herabgedrückt werden, indem die Spindel 35 bis zu einem nicht dargestellten Anschlag herabgeschraubt wird. Hierdurch wird die Luft unter dem Stempel 34 komprimiert, so daß das Filtrieren unter Druck in einem geschlossenen System erfolgt Das Filtrat fließt in den Trichter 31 und aus diesem durch die Löcher 22a in die Schwimmerkammer 20. Im geschlossenen System wird jegliche Verdampfung vermieden. Es liegt auf der Hand, daß die Verdampfung hinsichtlich des unter der Filterscheibe 33 befindlichen Flüssigkeitsteils sehr kritisch ist, da die zum Füllen des Wichtemessers erforderliche Filtratmenge lediglich ca. 10 ml beträgt während die aus der Vermahlvorrichtung in das Filtergehäuse geschüttete Flüssigkeitsmenge 120 ml beträgt.

Die Flüssigkeit strömt durch die Schwimmerkammer 20 herab und spült aus dieser etwaige Reste einer früheren Probe heraus, wobei auch eventuelle Stoffreste vom Schwimmer 23 abgespült werden. Die Flüssigkeit läuft durch das Ablaufrohr 28 bei geschlossenem Ventil 45 in die Spülkammer 40 hinab. Wenn die Spülkammer 40 mit Flüssigkeit gefüllt ist Finden sich in der Schwimmerkammer 20 und am Schwimmer 23 keine Stoffreste der vorhergehenden Probe mehr. Die Flüssigkeit steigt nun in der Schwimmerkammer 20 hoch und läuft schließlich durch das Überlaufrohr 29 ab, so daß sich in Verbindung mit dem Luftkanal 29a in der Schwimmerkammer 20 ein gut definiertes Flüssigkeitsniveau einstellt Weiteres Filtrat strömt durch das Überlaufrohr 29 ab, so daß eine Beendigung der Filtrierung bei gefüllter Schwimmerkammer 20 nicht erforderlich ist. Die große Oberfläche des Trichters 31 trägt dazu bei, daß sich die Temperatur des Filtrats schnell der des Thermostatblocks anpaßt

Nun werden das Filtergehäuse aus der Filterkammer 30 herausgenommen, die Lochplatte 33 abgenommen, die Filtrierpapierscheibe 37 entfernt und der Stempel völlig durch den Zylinder 32 gedrückt, wodurch dieser innen gereinigt wird. Schließlich werden Stempelboden und Lochplatte mit einer flüssigkeitssaugenden Serviette abgetrocknet Die Filtriervorrichtung ist damit für eine neue Filtrierung bereit Die Reinigungsarbeit ist wegen der leicht zu reinigenden glatten Flächen in wenigen Sekunden durchführbar. Das Reinigen zwischen den Proben ist wichtig, da sonst Fett von einer Probe auf die nächste übertragen werden kann, was beim Wechsel zwischen Proben mit sehr unterschiedlichem Fettprozent von Bedeutung ist

Nun erfolgt die eigentliche Wichtemessung. Die Nachteile des normalerweise benutzten Hydrometers sind bereits erwähnt Es wurde ein elektronisches Hydrometer entwickelt, das einerseits diese Nachteile nicht aufweist und andererseits verschiedene nachstehend zu erwähnende Vorteile bietet

Das spezifische Gewicht des Filtrats soll mit einer Genauigkeit von etwa 10~⁴ bestimmt werden, d. h, mit einer Toleranz von 1 an der vierten Dezimalstelle, was etwa einem Fettprozentgehalt von 0,05 der Probe entspricht Da der Temperaturkoeffizient der Flüssigkeit ca. 10-³ beträgt, bedeutet dies, daß die Temperatur des Filtrats mit einer Genauigkeit von etwa 0,1⁰C gemessen oder geregelt werden muß.

Der Temperaturkoeffizient des Filtrats schwankt etwas mit der gelösten Fettmenge und ist somit nicht im gesamten Meßbereich konstant. Aus diesem Grund hat man sich entschlossen, mittels eines Thermostaten beim Messen des spezifischen Gewichtes die Flüssigkeit auf konstanter Temperatur zu halten. Da das Flüssigkeitsvolumen in der Schwimmerkammer selbst lediglich etwa 3 ml beträgt, erfolgt die Thermostatregelung sehr schnell. Die Meßtemperatur des Filtrats ist auf 37° C

ίο festgesetzt. Diese Temperatur ist aus folgenden Gesichtspunkten gewählt:

a) Die Temperatur soll etwas über der höchsten praktisch vorkommenden Raumtemperatur zuzüglich des Temperaturanstiegs liegen, der durch den entwickelten Effekt der elektronischen Teile der Vorrichtung hervorgerufen wird. Dieser Regeispielraum ist zweckmäßig, weil die Verwendung eines Kühlthermostaten die Vorrichtung wesentlich komplizieren würde.

b) Die Temperatur darf nicht zu hoch sein, da sonst trotz ganz geschlossener Kammer Verdampfungsfehler auftreten könnten.

c) Die durch den Thermostaten gesteuerte Temperatur des Wichtemessers soll zur Erzielung einer schnellen Thermostatierung möglichst dicht bei der Endtemperatur des Reaktors liegen.

Dies wird durch die vorbeschriebene Ausbildung des Blocks 10 erreicht, der als »Trockenthermostat« jo bezeichnet werden kann.

Ein solcher Trockenthermostat bietet folgende Vorteile:

a) Kein Einfüllen von Thermostatflüssigkeit oder Entfernen einer solchen Flüssigkeit beim Transport der Vorrichtung.

b) Eine Zirkulationspumpe ist nicht erforderlich.

c) Wenig aufwendige Konstruktion, da die zur Wichtemessung erforderlichen Spulen in Vertiefungen im Thermostatblock gewickelt werden können, der somit als Spulenform dient Bei Verwendung eines Flüssigkeitsthermostaten wäre eine das Filtrat enthaltende gesonderte Schwimmerkammer erforderlich. Beim Trockenthermostaten besteht diese Kammer lediglich aus

einem axialen Kanal im Block selbst

Das spezifische Gewicht des Filtrats wird mit dem Schwimmer 23 gemessen, der in die Flüssigkeit ganz eintaucht Der Schwimmermagnet 24 wird vom

so Magnetfeld der in den Rillen des Thermostatblocks gewickelten beiden Spulen 51, 52 beeinflußt, die beidseitig des Magneten 24 liegen. Durch Änderung des Spulenstroms kann man die Krafteinwirkung auf den Schwimmer 23 so regeln, daß vom spezifischen Gewicht der Flüssigkeit abhängige Schwankungen im Auftrieb des Schwimmers 23 kompensiert werden.

Bei magnetischen Wichtemessern arbeitet man oft mit einem homogenen Magnetfeld zur Beeinflussung des Schwimmers. Hierdurch wird jedoch die Bedienung

to der Vorrichtung kompliziert, indem sich beim Meßvorgang der Schwimmer in seitlicher Richtung bewegen kann und schließlich an die Flüssigkeitsbehälterwand stößt (wie es auch beim Hydrometer der Fall ist). Beim Anstoßen des Schwimmers an die Innenseite der

es Behälterwand entsteht Reibung, die das Meßergebnis beeinträchtigt Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung arbeitet man dagegen mit einem inhomogenen Magnetfeld mit relativ großem Feldgradienten, so daß der

Schwimmermagnet 24 stets der Magnetfeldachse zustrebt und somit den Schwimmer 23 in der Kammer 20 zentriert, so daß Jegliche Berührung zwischen Schwimmer 23 und kammerwand vermieden wird. Der Schwimmer 23 muß sich in der Flüssigkeit friktionsfrei auf und ab bewegen können. Je größer der Foldgradient ist, um so größer ist auch die zur Achse hin gerichtete zentrierende Krafteinwirkung auf den Magneten 24, aber um so kritischer wird die Meßaufstellung hinsichtlich der räumlichen Position des Schwimmers 23.

Es ist sehr vorteilhaft, daß der Schwimmer 23 bei der Messung in der Flüssigkeit ganz untergetaucht ist, so daß das Meßergebnis — im Gegensatz zu dem von einem üblichen Hydrometer ablesbaren Meßergebnis — «on der Oberflächenspannung der Flüssigkeit völlig unabhängig ist

Der Stromfluß durch die beiden Spulen Sl, S2 ist so gerichtet, daß die untere Spule Sl den Magneten 24 nach unten zieht, während die obere Spule S2 nach oben zieht. Da beide Spulen Sl, S 2 die gleiche Windungszahl aufweisen, und da sich der Magnet 24 genau in der Mitte zwischen beiden Spulen Sl, S2 befindet, wenn der Schwimmer 24 auf dem Kammerboden aufsitzt, heben sich bei gleicher Spulenspannung die Zugkräfte der Spulen S1, S2 auf den Magneten 24 auf. Wird beispielsweise in der unteren Spule Sl die Spannung herabgesetzt, ist die resultierende Zugkraft der beiden Spulen Sl, S2 auf den Magneten 24 nach oben gerichtet, so daß der Schwin ier 23 in der Flüssigkeit hochsteigt. Da sich der Schwimmer 23 in einem Magnetfeld mit zunehmender Stärke bewegt, erfolgt diese Bewegung unter großer Beschleunigung. Der Schwimmer 23 steigt sehr schnell in dei Flüssigkeit hoch, bis seine obere Spitze die Flüssigkeitsoberfläche 20a durchstößt, wonach der Schwimmer 23 an der Akrylscheibe 22 zur Anlage kommt. Bei aus der Filterkammer 30 herausgenommenem Filterbehälter kann man leicht durch die Akrylscheibe beobachten, wann der Schwimmer 23 die Flüssigkeitsoberfläche durchbricht, indem die Akrylscheibe 22 von der Lampe L 3 beleuchtet wird, und das Auftauchen des Schwimmers über die Flüssigkeitsoberfläche durch die Linse 19 beobachtet wird. Ein Schirm sorgt dafür, daß kein Licht von der Lampe L 3 direkt das beobachtende Auge trifft.

Die beiden Spulen Sl, S2 werden über je einen Spannungsstabilisator 55 mit Strom versorgt. In der oberen Spule S 2 wird die Spannung konstant auf beispielsweise 10 Volt gehalten, während die Spannung der unteren Spule S1 mittels eines linearen Potentiometers G 4 zwischen 10 Volt und beispielsweise 4 Volt geändert werden kann.

Der Schwimmer 23 ist so ausbalanciert, daß er in reinem Tetrachloräthylen (der benutzten Extraktionsflüssigkeit) eben gerade in der Schwebe ist. Dies entspricht einem Fettprozentgehalt ron 0. Mißt man ein fettenthaltendes Filtrat, ist das spezifische Gewicht des Filtrats niedriger als das des reinen Tetrachloräthylens, weil das spezifische Gewicht des Fettes niedriger ist als das der Flüssigkeit. Der Schwimmer 23 würde daher im fetthaltigen Filtratvolumen herabsinken, falls er nicht vom ebenen, glatten Schwimmerkammerboden aufgehalten würde. Der Schwimmer 23 ist nun schwerer als die Flüssigkeit. Man setzt nun die Spannung der unteren Spule S1 von 10 Volt herab, bis die nach oben gerichtete Magnetkraft der Spule Sl auf den EJiwirnmerm gneten 24 eben gerade den Schwimmer 23 durch die Flüssigkeit hochsteigen läßt, was, wie erwähnt, wegen des großen Feidgradienten fast momentan erfolgt Das die veränderliche Spannung der unteren Spule Sl regelnde Potentiometer PA ist mit einem Digitalknopf versehen, an dem die Potentiometerstellung ablesbar ist.

Ein höherer Fettprozentgehalt des Filtrats entspricht einer niedrigeren Spannung in der unteren Spule Sl. Man hört in dem Augenblick auf, am Knopf zu drehen, in welchem der Schwimmer 23 aus der Flüssigkeit auftaucht Der am Digitalknopf abgelesene Wert steht

ίο in eindeutiger Relation zum Fettprozentgehalt der untersuchten Probe.

Der Knopf ist selbstverständlich langsam zu drehen, wenn man sich in der Nähe des Meßpunktes befindet Dreht man den Knopf zu weit muß man ein Stück zurückdrehen, wonach der Schwimmer 23 in seine untere Endlage zurückkehrt indem man einen »Retourknopf« drückt wodurch zwei auf die Meßspulen S1, S 2 aufgewickelte Spulen SR, Fig.3, mit einer Spannung beaufschlagt werden, wodurch eine nach unten gerichtete Kraft auf den Magneten 24 erzeugt wird. Wegen der durch das Absinken des Schwimmers 23 erzeugten Flüssigkeitsströmung ist es zweckmäßig, die »Retourspannung« mit einer geeigneten Zeitkonstante zu versehen, so daß der Schwimmer 23 kurzzeitig, beispielsweise '/2 Sekunde lang, am Schwimmerkammerboden festgehalten wird, während sich die Flüssigkeit beruhigt

Es wurde bereits erwähnt daß die Spannung der unteren Spule Sl im Bereich 10—4 Volt veränderlich ist Man hat davon abgesehen, diese Spannung ganz bis 0 Voit herabregeln zu können, weil der resultierende Feldgradient der Spulen zu klein würde, falls nur die eine Spule Spannung führt wobei auch die Zentrierkraft auf den Schwimmer zu klein würde, so daß Gefahr bestünde, daß der Schwimmer 23 die Innenseite der Kammerwand berührt Auch aus folgendem anderen Grund ist die Mindestspannung der unteren Spule Sl nicht gleich 0:

Mit Rücksicht auf eine sichere Anlage des Schwimmers 23 am Boden ist es nicht erwünscht, daß der Feldgradient zu klein wird. Wenn sich unter der Einwirkung des Retourknopfes der Schwimmer 23 nach unten bewegt, entstehen hierdurch in der Flüssigkeit Strömungsbewegungen, und außerdem hat die Unterlage eine gewisse Federung. Diese beiden Umstände zusammen bewirken, daß man den Potentiometerknopf von der Meßstellung etwas zurückdrehen muß, um die Gewähr zu haben, daß der Schwimmer 23 vor der nächsten Messung am Boden anliegt. Is* der Feldgradient groß, braucht man das Potentiometer P4 vor der nächsten Messung nur ein klein wenig zurückzudrehen, was die Bedienung der Vorrichtung erleichtert. Ein großer Feldgradient gewährleistet eine stabile Schwimmerausgangsstellung. Der verhältnismäßig große und ungefähr konstante Feldgradient im gesamten Meßbereich bietet auch den Vorteil, daß sich der Schwimmer 23 schnell nach oben bewegt.

Bei kleinen Feldgradienten oder homogenen Magnetfeldern, die bei magnetischen Wichtemessern oft

bo benutzt werden, sind die Schwimmerbewegungen sehr langsam und träge, so daß die Messung viel Zeit erfordert.

Bei den bekannten magnetischen Wichtemessern wird die Schwimmerposition in der Schwimmerkammer entweder mit Hilfe von zwei Tastspulen in der Nähe des Magneten oder durch Licht festgelegt, das eine durchsichtige Schwimmerkammer durchdringt. Die Schwimmerposition kann dann mit Hilfe einer Servo-

20

Vorrichtung konstant gehalten werden, indem das Magnetfeld der Hauptspulen von den Tastspulen oder über eine Photozelle von dem die Schwimmerkammer durchdringenden Lichtstrahl geregelt wird.

Bei der vorliegenden Meßvorrichtung wäre die Verwendung einer Servoregelung mit Tastspule zu kompliziert Die Schwimmerstellung müßte bei der geforderten Genauigkeit der Wichtemessung mit einer Genauigkeit von ca. 1 bis 2 Hundertstel Millimeter ablesbar sein, was schwierig w^. ? ι rd die Vorrichtung zu sehr verteuern würde.

Der Vorschlag, von oben das Auftauchen der Schwimmerspitze 23a über die Flüssigkeitsoberfläche zu beobachten, ist durch folgende Überlegungen begründet:

a) Bei der konventionellen Methode, bei der man Licht durch die Kammer sendet muß diese aus Glas bestehen, das ein kleines Wärmeleitvermögen hat, so daß die Thermostatierung der Flüssigkeit mehr Zeit beanspruchen würde.

b) Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auch für nicht durchsichtige Flüssigkeiten, beispielsweise Milch, geeignet

c) Das Auftauchen des Schwimmers 23 über die Flüssigkeitsoberfläche ist durch eine gewöhnliche Lupe sehr deutlich erkennbar, so daß sich die Verwendung des sonst benutzten Mikroskops erübrigt

Die benutzten Spulen sind aus folgenden Gründen jo Flachspulen:

a) Würden hohe Spulen benutzt, wäre der Feldgradient so groß, daß die Schwimmerposition am Boden zu kritisch würde (beispielsweise die Wirkung eines am Schwimmerboden haftenden kleinen festen Teilchens). Wünschte man bei hohen Spulen einen kleineren Feldgradienten, wären die Spulen in größerem Abstand vom Magneten anzuordnen, was wiederum einen größeres Spuleneffekt erfordern würde, der hinsichtlich der Wirkung des Thermostaten schädlich sein könnte.

b) Die flachen Spulen geben die Stromwärmeverluste leicht an den die Spulen umgebenden Aluminiumblock ab, so daß die Rückwirkung auf die Thermostatierung vernachlässigbar klein ist. ^Aj Außerdem ist es von Vorteil, daß die Flachspulen wegen der großen Oberfläche mit dem Thermostatblock in gutem Kontakt stehen, so daß die innere Erwärmung des Spulendrahtes nicht zu groß wird, was eine Änderung des Widerstandes des ^j0 Spulendrahtes und somit des Stroms sowie des Magnetfeldes zur Folge hätte. Den Spulen wird ein Strom mit konstanter Spannung und nicht ein Strom konstanter Stärke zugeführt da eine konstante Spannung einen einfacheren Aufbau des elektronischen Teils der Vorrichtung ermöglicht.

Das benutzte System mit zwei den Magneten in entgegengesetzter Richtung ziehenden Spulen hat folgende Vorteile: to

a) Die beiden Spannungsstabilisatoren 55 und 56 werden vom gleichen Referenzelement 57 gesteuert Eine Spanriungsänderung hier hat im O-Punkt auf beide Magnetfelder die gleiche Wirkung und beeinflußt somit den O-Punkt nicht. Während an konventionelle Wichtemesser hinsichtlich der Spannungsregelung große Anforderungen zu stellen sind, beispielsweise für eine Wichtemessung mii einer Genauigkeit von 10-* eine Regelgenauigkeit von ^lh χ 10~⁴ erforderlich ist, sind die Anforderungen an die Spannungsregulatoren im vorliegenden Pail viel niedriger. Beim O-Punkt, d. h., wenn die Schwimmerkammer reine Extraktionsflüssigkeit enthält, ist die Messung von der Stromspannung der Spulen unabhängig. Für das andere Ende des Meßbereiches gilt, daß bei einer Unstabilität des Spannungsstabilisators von x°/o relativ der Einfluß auf die Wichtemessung

-- - -"■;, relativ ist, falls die Spannung in der unteren

Spule von 10 auf 4 Volt herabgesetzt wird, und in der oberen Spule 10 Volt aufrechterhalten bleiben. Da eine relative Genauigkeit von beispielsweise 1/2% gefordert wird, entsprechen die Ansprüche an den Stabilisator lediglich 03 χ 10-². Diese Anforderungen sind somit 2 Größenordnungen kleiner als bei den konventionellen Meßvorrichtungen,
b) Bei den meisten bekannten magnetischen Wichtemessern muß man u. a. wegen der unterschiedlichen Schwimmer jede Vorrichtung individuell kalibrieren, da es unmöglich ist, einen Glaskörper mit einem beispielsweise innerhalb der Größenordnung 10 -⁴ genauen Volumen herzustellen.

Bei dem hier benutzten Prinzip stellt man die Spannung der oberen Spule 52 im O-Punkt (d. h. mit Extraktionsflüssigkeit ohne Fett) ein, während der andere Endpunkt mit Hilfe einer Extraktionsflüssigkeit mit einer bekannten Ölmenge durch Änderung des Variationsbereiches der Spannung der unteren Spule 51 eingestellt wird. Der Zusammenhang zwischen dem digitalen Ablesen am Potentiometerknopf und der Änderung des spezifischen Gewichtes ist linear. Man legt also eine gerade Linie in zwei Endpunkten fest, wobei die Kalibrierung vom Schwimmergewicht und -volumen praktisch unabhängig ist, indem Schwankungen von ±20 bis 30% des Schwimmergewichtes oder -volumens ohne Bedeutung sind. Hierdurch wird die Herstellung der Vorrichtung erheblich verbilligt, einerseits, weil ein einfacherer Schwimmer verwendbar ist, und andererseits wegen des verminderten Kalibrierungsarbeitsaufwandes.

Der Spannungsstabilisator 55 wirkt auf die untere Spule Sl, deren Spannung vom Potentiometer PΛ geregelt wird. Der Spannungsstabilisator 56 wirkt auf die obere Spule 52, die auf konstante Spannung eingestellt ist. Zunächst justiert man auf korrekte Anzeige bei hohem Fettprozentgehalt durch Einstellung des Trimmwiderstandes P1 (hierdurch ändert sich der Variationsbereich der Spannung der unteren Spule). Danach justiert man die Anzeige 0 für 0% Fett, d. h. mit reiner Extraktionsflüssigkeit, indem man das Trimmpotentiometer PZ einstellt wodurch die Spannung der oberen Spule 52 geändert wird. Nach diesen Eichungen ist die Vorrichtung justiert Die Einstellung des Widerstandes Pl auf hohen Fettprozent beeinflußt nicht die O-Stellung, weil der Schleifkontakt des Zifferpotentiometers P4 in der 0-Stellung direkt auf dem Potential des Referenzelements 57 liegt Die beiden Justierpunkte sind somit unabhängig voneinander einstellbar, wodurch die Justierung so weitgehend vereinfacht wird, daß der Benutzer selbst ohne spezielle Vorkenntnisse selbst leicht die Kalibrierung in den beiden Punkten vornehmen kann.

Die Messungen mit der Vorrichtung können dabei

unabhängig vom spezifischen Gewicht der Extraktionsflüssigkeit durchgeführt werden. Der Mineralöltyp »Esso Coray« ist mit einem genau konstanten spezifischen Gewicht erhältlich, das dem Durchschnittswert des spezifischen Gewichtes der verschiedenen Pflanzenöle entspricht Das Mineralöl ist im Gegensatz zu Pflanzenölen 100% stabil, ändert sich selbst nacb mehreren Jahren nicht und kann somit als eine Art »Weltstandard« für Fettprozentmessungen mit der Vorrichtung dienen. Man wiegt eine bestimmte Menge Coray-Öl ab, die beispielsweise einem Fettgehalt von 60% (oberes Ende der Skala) entspricht und mischt diese ölmenge mit 120 ml Tetrachloräthylen. Da das Standardgewicht der Meßprobe 45 g ist, entsprechen die 60% Fett einer Gewichtsmenge Coray-Öl von 27,0 g, die den normalerweise verwendeten 12OmI Extraktionsflüssigkeit beigemischt werden. Di« Vorrichtung wird nun so eingestellt, daß sie bei mit Extraktionsflüssigkeit ohne Fettgehalt gefüllter Schwimmerkammer 20 sowie bei mit dem Gemisch aus Extraktionsflüssigkeit und Coray-Öl (60% Fett) gefüllter Schwimmerkammer 20 richtig anzeigt Hiernach zeigt die Vorrichtung auf der gesamten Skala immer richtig an, solange die gleiche Extraktionsflüssigkeit benutzt wird. Wird diese Extraktionsflüssigkeit durch eine andere (Tetrachloräthylen mit einem anderen spezifischen Gewicht) ersetzt, muß man erneut justieren. Bei diesem System sind die Messungen vom spezifischen Gewicht der Extraktionsflüssigkeit unabhängig, so daß man die technische Qualität von Tetrachloräthylen verwenden kann, wodurch der Chemikalienbedarf der Vorrichtung verbilligt wird. Bei kleineren Schwankungen des spezifischen Gewichtes der Extraktionsfiüssigkeit genügt es, im O-Punkt (0% Fett) neu einzustellen. Die Verwendung von Coray-Öl ist somit nicht erforderlich. Weicht jedoch das spezifische Gewicht des Tetrachloräthylens wesentlich vom spezifischen Gewicht der reinen Flüssigkeit ab, muß man auch bei 60% Fett auf der Skala justieren. Unter allen Umständen ist eine gute Kontrolle am oberen Ende der Fettskala mit Hilfe von Coray-Öl sehr vorteilhaft.

Nach beendeter Messung wird das Ventil 45 geöffnet, so daß die Flüssigkeit aus der Schwimmerkammer 20 und Spülkammer 40 ausströmt

Die Spülkammer 40 steht oben mit dem Luftkanal 41 in Verbindung, der zum Füllen der Kammer 40 mit Flüssigkeit beiträgt. Beim Entleeren der Vorrichtung bleibt wegen der Oberflächenspannung im Bereich der Mündung des Luftkanals 41 in die Spülkammer 40 etwas Flüssigkeit hängen. Diese geringe Flüssigkeitsmenge verhindert ein effektives Füllen der Spülkammer 40 bei der nächsten Messung, da sie den Luftabgang verstopft. Um dies zu vermeiden, weist der Schwimmerkammerablauf ein dünnes senkrechtes Rohr 28 auf, das fast bis zum Spülkammerboden in die Spülkammer 40 hinabgeführt ist. Hierdurch entsteht eine Saugwirkung, so daß der schädliche Flüssigkeitstropfen im Luftkanal 41 beim Entleeren des Systems abgesaugt wird.

Der Bodenpfropfen 25 der Schwimmerkammer 20 ist bo leicht zu entfernen, falls Schwimmerkammer 20 und Schwimmer 23 gereinigt werden sollen, was jedoch normalerweise nur dann erforderlich ist, falls das Filtrierpapier 37 reißt, so daß Stoffpartikel ins Filtrat gelangen. Der Schwimmer 23 kann auch mittels einer Pinzette nach oben aus der Schwimmerkammer 20 entfernt werden, nachdem die Akrylscheibe 22 entfernt worden ist.

Zusammenfassung der der Fettbestimmung
nach der Wichtemethode zugrunde liegenden Theorie

Symbole

Gewichtsmenge Stoff
(die untersuchte Probe) = V;
Fettprozent = f;

spezifisches Gewicht des Fettes = df;
Volumen der Extraktionsflüssigkeit = R;
spezifisches Gewicht der Extraktionsflüssigkeit = dv;

spezifisches Gewicht des Gemisches aus Fett und Extraktionsflüssigkeit = d.

Nach vollständiger Extraktion und Filtrierung (theoretisch wird die Filtrierung der gesamten Flüssigkeitsmenge vorausgesetzt) hat man:

Fettgewicht = Vx. f:\00;

Fettvolumen = Vχ f-.(\00 χ df)

Flüssigkeitsgewicht = R χ dv;

Flüssigkeitsvolumen = R;

spezifisches Gewicht des Gemisches

= Gewicht: Volumen = d

= (V χ /:100 + R χ dv):R + Vx /:(100 χ df)).

Da der Wichtemesser bezüglich der Cxtraktionsflüssigkeit selbst auf 0 gestellt wird, mißt man die Differenz zwischen dvund c/wie folgt:

Wichlcdifferenz Uli-el) =

V ■ f ■ (clv - elf) ■ 100 · df + V ■

Die Wichtedifferenz dv — d ist proportional zur Zifferablesung am Wichtemesser, so daß die vorstehende Formel den Zusammenhang zwischen dem gesuchten Fettprozent der Probe und der Ablesung angibt. Durch Einsetzen bekannter Werte für die Konstanten kann man die Wichtedifferenz der verschiedenen Fettprozente berechnen.

Die Vorrichtung wurde mit bekannten Gemischen aus Tetrachloräthylen und Coray-Öl geprüft. Das spezifische Gewicht df des Coray-ÖIs wurde in die vorstehende Formel eingesetzt, wobei sich herausstellte, daß die theoretisch berechneten Werte mit den mit dem Wichtemesser gemessenen Werten gut übereinstimmten. Eine entsprechende Kontrolle wurde mit Soyabohnen durchgeführt. Mehrere Proben mit verschiedenem Fettprozent wurden nach der Standardmethode analysiert. Das spezifische Gewicht ds des Soyaöls wurde zusammen mit den übrigen bekannten Konstanten in die Formel eingesetzt. Auch hier stimmten die Meßergebnisse mit den theoretisch berechneten Werten gut überein.

Die guten Übereinstimmungen der berechneten Werte mit den praktisch ermittelten Meßwerten zeigen, daß die Benutzung der vorstehenden Formel zulässig ist.

Die Formel zeigt, daß es möglich sein sollte, für alle Stoffe die gleiche Skala zu benutzen, wenn man von den kleinen Schwankungen im spezifischen Gewicht des Fettes absieht. Die Formel zeigt auch, daß man für alle Vorrichtungen für den Fettprozent die gleiche Umrechnungstabelle benutzen kann, vorausgesetzt, daß auf 0% und auf ein bekanntes Gemisch aus Coray-Öl und Tetrachloräthylen korrekt justiert wird. Erfolgt das Einjustieren in dieser Weise, ist das spezifische Gewicht der Flüssigkeit bedeutungslos.

Der Einfluß des spezifischen Gewichtes (df) des Fettes wird durch partielle Differentiation hinsichtlich / und dfv/'ie folgt ermittelt:

- 100% =

V ■ f:R + 100 · dp df(dr-df)

• idf.

(Zwischenrechnungen sind ausgelassen) oder durch Einsetzer* der bekannten Konstanten und Auslassung unwesentlicher Glieder:

100% = 269 ■ I df.

Dies gilt für /=30%, d.h. für die Mitte des Meßbereiches. An den Enden des Meßbereiches bestehen keine großen Unterschiede.

Die vorstehende Formel gibt bezüglich des Fettprozents den sich aus einer Änderung des spezifischen Fettgewichtes Adf ergebenden realtiven Fehler im Fettprozentwert an.

Setzt man beispielsweise für Soyabohnen Adf— ±2 χ 10~³ (Schwankungen im spezifischen Gewicht des Soyaöls), erhält man hinsichtlich der Fettprozentmessung einen relativen Fehler von nur ±0,5%, was in Anbetracht der Tatsache, daß die Meßgenauigkeit der Standardmethode nicht besser ist als ca. 1% relativ, ein ausgezeichnetes Ergebnis ist In ähnlicher Weise kann man in die Formel den Variationsbereich der spezifischen Gewichte der anderen öle einsetzen. Man findet dann, daß bei einem bestimmten Stoff die eingeführten Fehler im gemessenen Fettprozentwert vernachlässigbar sind.

Dagegen können hinsichtlich des spezifischen Gewichtes des Fettes relativ große Änderungen auftreten, wenn man auf einen anderen Stoff, beispielsweise Rapsöl im Wichtebereich 0,906 bis 0,910 und Soyaöl mit dem Wichtebereich 0,917 bis 0,921, übergeht.

Zur Kompensation dieser Schwankungen korrigiert man das Gewicht der Probe. Das Standardprobenge-

wicht ist auf 45 g festgesetzt Dieser Wert gilt beispielsweise für Soyaöl und das beim Justieren benutzte Coray-Öl. Das spezifische Gewicht dieser Stoffe liegt einigermaßen in der Mitte des Gesamtschwankungsbereiches aller Fette.

Mißt man mit der Vorrichtung Raps, kann man die richtige Ergebnisse gewährleistende Gewichtsmenge aus den vorstehend angegebenen Formeln berechnen (oder durch Versuche ermitteln). Bezüglich Raps ermittelt man die Gewichtsmenge 43,6 g. Entsprechend läßt sich für die anderen Stoffe die richtige Gewichtsmenge feststellen. Die obengenannten Beispiele mit Raps und Soyaöl sind Grenzpunkte. Normalerweise schwankt das spezifische Gewicht der Fette nicht so stark. Gemische aus Fetten wie in üblichen Futtermittelmischungen können mit der gleichen Gewichtsmenge auf der gleichen Skala mit angemessener Genauigkeit gemessen werden.

Es ist von großem Vorteil, für alle Stoffe und alle Vorrichtungen die gleiche Skala benutzen zu können. Die Kalibrierarbeit beschränkt sich auf die Ermittlung der erforderlichen Gewichtsmenge des betreffenden Stoffes, was nur enige wenige Analysen erfordert

Die Tatsache, daß auch in einem relativ großen Meßbereich durch Verwendung eines geeigneten Probegewichtes und durch Benutzung der gleichen Standardskala eine zufriedenstellende Kompensation für die Wichte der verschiedenen Fette möglich ist, ergibt sich eindeutig aus folgendem Berechnungsbeispiel: Im Bereich 20 bis 40% Fett (normalerweise sind hinsichtlich eines bestimmten Stoffes die Fettprozentschwankungen wesentlich kleiner) werden für das Fett die Verhältnisse bei Wichteschwankungen 0,91 und 0,92 (abnorm große Schwankung) berechnet. In der Mitte des Bereiches (bei 30% Fett) wird in jedem Fall die richtige Gewichtsmenge berechnet, wonach man aus diesen Gewichtsmengen die Fettprozente an den Endpunkten (d. h. bei 20 und 40% Fett) berechnet. Bei 20% findet man: 20,05% und bei 40%: 40,1%. Der relative Fehler beträgt nur 0,25% und ist somit bedeutungslos.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Filtrieren und zur Bestimmung des spezifischen Gewichts einer Flüssigkeit, insbesondere eines durch Naßvermahlen extrahierten Fetts in einem Lösungsmittel, mit einem in einer Kammer beweglichen, magnetisch beeinflußbaren Schwimmer, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwimmerkammer (20) und ein über dieser angeordnetes, an die Kammer angeschlossenes Filter (32—34) in einem mit einer Thermostatregelung versehenen, im wesentlichen massiven Metallkörper oder Metallblock (10) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei mit dem Schwimmer (23) zusammenwirkende, in eine Vertiefung (15 bzw. 16) im Metallblock (10) eingelegte Spulen (S t und 52).

3. Vorrichtung nach Anspt uch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Schwimmerkammer (20) befindliche Schwimmer (23) als hohler Glaskörper ausgebildet ist, der in seinem unteren Teil einen Dauermagneten (24) enthält und oben durch eine nach oben gerichtete Spitze (23a^ abgeschlossen ist

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spulen (Sl und 52) die gleiche Windungszahl und im Verhältnis zu ihrer Breite geringe Höhe haben sowie mit einer Gleichspannungsquelle so verbunden sind, daß die von den Spulen erzeugten Magnetfelder den Schwimmermagneten (24) in entgegengesetzten Richtungen beeinflussen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (51 und 52) mit jeweils einem Spannungsstabilisator (55 bzw. 56) mit ;J5 unabhängig einstellbarer Spannung verbunden sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1—5, gekennzeichnet durch mindestens eine Rückstellspu-Ie (RS), die durch Magnetisierung den Schwimmermagneten (24) mit einer nach unten gerichteten Kraft beeinflußt

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellspule oder-spulen (RS) mit einem Stromkreis (58) verbunden sind, mittels dessen die Spulen (RS) in einer vorbestimmten 4^r> Zeitspanne von Hand erregbar sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1—7, gekennzeichnet durch eine im Metallblock (10) ausgebildete zylindrische Filterkammer (30) mit schwach konischem Boden (31) sowie einen in die Filterkammer (30) einsetzbaren Filterzylinder (32), der unten eine abnehmbare Lochplatte (33) zur Aufnahme einer Filtrierscheibe (37) aufweist, deren Rand mittels eines entsprechend ausgebildeten Rezesses (38) umgebogen wird. κ

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Filterzylinder (32) oben einen frei beweglichen, dichtschließenden Stempel (34) aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden fco Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwimmerkammer (20) als senkrechte zylindrische Bohrung (20) im Metallblock (10) ausgebildet ist, die oben von einem durchsichtigen, durchgehende Löcher aufweisenden Deckel (22) abgedeckt und unter diesem mit einer mit einem Luftkanal (29a) versehenen Überlaufleitung (29) verbunden ist, und daß in der Kammer (20) am Kammerboden eine Auflagefläche (26) vorgesehen ist, die den Schwimmer (23) in einer Höhe unterstützt, in der sich der Schwimmermagnet (24) zumindest annähernd auf einer in der Mitte zwischen den beiden Spulen ('51 und 52) liegenden Ebene befindet, und daß die Kammer unter der Auflagefläche (26) mindestens eine Ablauföffnung (27) aufweist

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß unter der Schwimmerkammer (20) eine über einen engen Kanal (28) mit der Schwimmerkammerablauföffnung (27) verbundene Spülkammer (40) mit einer Entlüftungsleitung (41, 42) und einer Ablaufleitung (43) mit Ventil (45) ausgebildet ist

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablaufkanal (28) der Schwimmerkammer (20) bis zum Boden der Spülkammer (40) hinabreicht.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallblock (10) mit einem Temperaturfühler (51) versehen ist, der mit den Metallblock (10) erwärmenden elektrischen Heizkörpern in Wirkverbindung steht

H. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizkörper als Strahlheizelemente, beispielsweise Lampen (L 1 und L 2) ausgebildet sind, die zur Bestrahlung der Außenseite des Blocks (10) angeordnet sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 — 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein an der Oberseite der Vorrichtung verschiebbares Kopfstück (17) vorgesehen ist das eine mit dem Filterstempel (34) zusammenwirkende Spindel (35) trägt und mit einer Linse (19) und einer Lampe (L 3) zur Beobachtung der Flüssigkeitsoberfläche (20a) in der Schwimmerkammer (20) versehen ist, und daß das Kopfstück (17) zwischen einer Freigabestellung, in der die Filterkammer (30) zugänglich ist, einer Druckstellung, in welcher die Gewindespindel (35) mit der Filterkammerachse fluchtet, und einer Ablesestellung, in der die Linse (19) koaxial zur Filterkammer (30) liegt, verschiebbar ist.

'6. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (45) der Spülkammerablaufleitung (43) als Magnetventil ausgebildet ist, das von einem vom Kopfstück (17) betätigten Kontakt und einem Zeitkreis (59) so gesteuert wird, daß es öffnet und eine vorbestimmte Zeit lang offen ist, wenn das Kopfstück zui Freigabestellung verschoben ist

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 — 16, dadurch gekennzeichnet, daß der der unteren Spule (51) zugeordnete Spannungsstabilisator (55) mit einem stellbaren Widerstand (Pl) verbunden und mit diesem mit einem mit Zifferablesung versehenen Potentiometer (P4) in Serie geschaltet ist, und daß der andere Spannungsstabilisator (56) mit einem stellbaren Widerstand (P3) zur Nullpunkteinstellung verbunden ist.