DE2804350C2

DE2804350C2 -

Info

Publication number: DE2804350C2
Application number: DE19782804350
Authority: DE
Inventors: Johannes Van Leiden Nl Strien
Original assignee: Heineken Technisch Beheer Bv Zoeterwoude Nl
Current assignee: Heineken Technisch Beheer Bv Zoeterwoude Nl
Priority date: 1977-02-04
Filing date: 1978-02-02
Publication date: 1987-09-17
Also published as: NL172698C; GB1599542A; NL172698B; FR2379817A1; NL7701200A; FR2379817B1; DE2804350A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Kohlensäuregehaltes in einer Flüssigkeit, insbesondere in Bier, mit einem Gefäß, in dem eine Flüssigkeitsprobe abgesondert und oberhalb der Flüssigkeit im Gefäß durch Freisetzen von Kohlensäure eine Kohlensäuregasatmosphäre geschaffen wird, mit einem Druckmeßgerät am Gefäß zum Messen des partiellen Kohlensäuregasdruckes oberhalb der Flüssigkeit, mit einem temperaturempfindlichen Element im Gefäß für die Temperatur der Flüssigkeit sowie mit einer Verarbeitungsschaltung für die erhaltenen Meßwerte.

Bei der Bierherstellung ist es sehr wichtig, daß der Kohlensäuregehalt im Bier den richtigen Wert hat. Durch einen zu niedrigen Kohlensäuregehalt geht der erfrischende Effekt des Bieres verloren, während ein zu hoher Kohlensäuregehalt ebenfalls unerwünscht ist.

Aus "Brewers Guild Journal", Oktober 1967, S. 513-524 ist eine Vorrichtung zum Messen des Kohlensäuregehaltes in Bier bekannt. Die bekannte Vorrichtung besteht aus einem Gefäß, in dem über ein Ventilsystem eine Bierprobe abgesondert wird. Ebenfalls über ein Ventilsystem wird oberhalb des Biers im Gefäß durch Freisetzen von Kohlensäure mittels eines Agitators eine Kohlensäuregasatmosphäre geschaffen. Der partielle Kohlensäuregasdruck dieser Kohlensäuregasatmosphäre oberhalb des Biers wird gemessen. Weiterhin wird mit einem temperaturempfindlichen Element die Temperatur des Biers gemessen. Eine Verarbeitungsschaltung ermittelt aus den Meßwerten für Druck und Temperatur den Kohlensäuregehalt des Biers. Die bekannte Vorrichtung und das dazu entsprechende Verfahren hat den Nachteil, daß zum Bestimmen des Kohlensäuregehaltes im Bier eine Temperaturkorrektur notwendig ist, wenn nicht die Temperatur des Biers auf einer konstanten Temperatur gehalten wird.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannte Vorrichtung zum Messen des Kohlensäuregehalts in einer Flüssigkeit derart weiterzuentwickeln, daß das Meßverfahren unabhängig von der Temperatur der Flüssigkeit ist.

Als technische Lösung wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß die Verarbeitungsschaltung eine elektrische Verstärkerschaltung mit einem Operationsverstärker mit einer Rückkopplungsschleife ist, daß der elektrischen Verstärkerschaltung ein dem gemessenen partiellen Kohlensäuregasdruck proportionales elektrisches Signal des Druckmeßgerätes zugeführt wird, daß die Rückkopplungsschleife das temperaturempfindliche Element enthält, daß die elektrische Impedanz R des temperaturempfindlichen Elements mit der Temperatur T (°K) nach der Beziehung R=k₁ e^k2^/T variiert, wobei k₁ und k₂ Konstanten sind, wobei damit ein linearer Zusammenhang zwischen der Henry-Konstanten f und der elektrischen Impedanz R bei unterschiedlichen Temperaturen T besteht, und daß das von der elektrischen Verstärkerschaltung abgegebene Ausgangssignal proportional zu dem zu messenden Kohlensäuregehalt ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. So wird mit dem Anspruch 2 vorgeschlagen, daß das temperaturempfindliche Element ein Thermistor ist. Mit den Ansprüchen 3 und 4 werden spezielle Schaltungsanordnungen vorgeschlagen.

Eine nach der erfindungsgemäßen Lehre ausgebildete Vorrichtung zum Messen des Kohlensäuregehalts in einer Flüssigkeit hat den Vorteil, daß eine Temperaturkorrektur nicht mehr notwendig ist. Beispielsweise kann bei der Bierherstellung, die üblicherweise bei Temperaturen zwischen 0° und 20°C erfolgt, der Kohlensäuregehalt exakt bestimmt werden, und zwar unabhängig von der jeweiligen Temperatur, die das Bier gerade aufweist. Das temperaturempfindliche Element variiert mit seiner elektrischen Impedanz R auf dieselbe Weise wie die Henry-Konstante f mit der Temperatur, wobei der Temperaturausgleich bei der Messung über die Rückkopplungsschleife der elektrischen Verstärkerschaltung erfolgt.

Die Funktion und Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung beruht auf dem Gesetz von Henry, das wie folgt lautet:

"Bei konstanter Temperatur ist die Masse eines Gases (im vorliegenden Fall CO₂), gelöst in einem vorgegebenen Lösungsmittelvolumen, direkt proportional dem Partialdruck dieses Gases oberhalb der Flüssigkeit."

Dieses Gesetz von Henry gilt nur für ein geschlossenes System bei Gleichgewicht zwischen dem Gas in der Flüssigkeitsphase und dem Gas in der Gasphase. In Symbolen kann das Gesetz von Henry wie folgt geschrieben werden:

worin

m = Masse des Gases V = Lösungsmittelvolumen f = Henry-Konstante p = Druck T = Temperatur in °K.

In dieser Formel ist die Henry-Konstante f abhängig von der Temperatur. Da die Temperatur des Bieres während der Herstellung erheblichen Schwankungen unterliegt, ist es notwendig, daß man den Verlauf der Henry-Konstante f bei Temperaturschwankungen kennt. Dann kann man, indem man im Gleichgewichtszustand p mißt und mit dem Wert f der Henry-Konstante bei der herrschenden (und ebenfalls zu messenden) Temperatur multipliziert, bestimmen, z. B. in Gramm CO₂ je 100 ml Flüssigkeit (Gew.-%), wie es in Bierbrauereien üblich ist.

Untersuchungen haben ergeben, daß der Zusammenhang zwischen der Henry-Konstante f und der Temperatur T (°K) wie folgt geschrieben werden kann:

wobei für a gefunden wurde: a = 10,89232 und für b: b = 2654,06. Dieser Zusammenhang zwischen f und T ist nicht aus der Literatur bekannt. Wohl aber ist aus der Literatur bekannt, daß der Zusammenhang zwischen dem Widerstand R und der Temperatur T (°K) eines Thermistors wie folgt geschrieben werden kann:

wobei für einen im Handel erhältlichen Thermistor guter Qualität gilt:

c = 5,114275 und d = 3826,74.

Aus den Gleichungen (1) und (2) kann mit den genannten Werten für a, b, c, d folgender linearer Zusammenhang zwischen f und R abgeleitet werden:

f = 3,33.10^-5 R + 6,86.10^-2 (3).

Ausgehend von diesem Zusammenhang zwischen f und R ist es nunmehr möglich, eine einfache elektrische Schaltung zu entwerfen, die einen sich im Bier befindenden Thermistor umfaßt und an deren Eingang ein dem partiellen Kohlensäuregasdruck p oberhalb des Bieres proportionales Signal zugeführt wird und die dem Ausgang ein Signal verschafft, das unmittelbar den Kohlensäuregehalt im Bier angibt, ohne daß noch Temperatureinflüsse in Betracht gezogen werden müssen.

Im Nachfolgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf die beiliegende Zeichnung einiger Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Schaltung näher erläutert. Es zeigt darin

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt einen Operationsverstärker I, dessen einer Eingang mit einer ersten Eingangsklemme 1 der Schaltung verbunden ist. Die zweite Eingangsklemme 2 ist mit einer Bezugslinie verbunden, die weiter mit der einen Ausgangsklemme 4 verbunden ist.

Zwischen den Eingangsklemmen 1 und 2 wird eine Signalspannung V₀ zugeführt. Die Spannung V₀ rührt von einem druckempfindlichen Element 5 her, das den partiellen Kohlensäuregasdruck oberhalb einer Bierprobe mißt. Das Gas ist in bekannter Weise gebildet, z. B. dadurch, daß man vorübergehend eine Spannung zwischen zwei sich im Bier befindenden Elektroden 6, 7 aus einer Hilfsspannungsquelle 8 zuführt. Die Elektroden 6, 7 und das druckempfindliche Element 5 ragen in ein Gefäß 9 hinein, das in üblicher Weise mit absperrbaren Zu- und Abfuhrleitungen 10 bzw. 11 versehen ist.

Der andere Eingang des Operationsverstärkers I ist über einen Eingangswiderstand R₁ mit der Bezugslinie und über einen Rückkopplungswiderstand R _t mit dem Ausgang des Operationsverstärkers I verbunden. Der Widerstand R _t ist ein temperaturabhängiger Widerstand, der sich im Bier im Gefäß 9 befindet. Der Deutlichkeithalber ist der Widerstand R _t jedoch in Fig. 1 außerhalb des Gefäßes 9 gezeichnet. Der Widerstandswert von R _t schwankt in der schon beschriebenen Weise mit der Temperatur und bei einer praktischen Ausführungsform der Schaltung galt folgender Zusammenhang zwischen f und R _t:

f = 3,33.10^-5 R _t + 6,86.10^-2.

Aus dem Henry-Gesetz geht hervor, daß, wenn V₀ proportional p ist und außerdem f in derselben Weise mit der Temperatur schwankt wie R _t, die Ausgangsspannung V _u der Schaltung unmittelbar den zu messenden Kohlensäuregehalt angibt, wenn der Verstärkungsfaktor der Verstärkerschaltung passend gewählt wird.

Für den Verstärkungsfaktor b I des Operationsverstärkers I gilt:

Weiter gilt für ein druckempfindliches Element von einem bestimmten, im Handel erhältlichen Typ V₀ = 1,43.10^-2 p.
Daraus folgt für die Ausgangsspannung V _i des ersten Operationsverstärkers:

Das Signal V _i wird über einen Reihenwiderstand einem zweiten Verstärker II zugeführt, dessen Ausgang mit der Ausgangsklemme 3 der Schaltung und über einen Rückkopplungswiderstand R₂ mit dem Eingang des Verstärkers II verbunden ist.

Der Verstärkungsfaktor β II des zweiten Verstärkers ist:

so daß gilt:

Die Kombination von (3) und (4) ergibt:

V _u (in Volt) ist der Kohlensäuregehalt in Gew.-%, wenn gilt:

Daraus ergibt sich:

Einige Rechenarbeit ergibt:

R₁ = 2060 Ω
R₂ = 4,797 R₃

Fig. 2 zeigt eine Schaltung, die sich für ein anderes, ebenfalls im Handel erhältliches, druckempfindliches Element eignet, wofür gilt: V₂₀ = 2,5 p.

Dieses Ausgangssignal V₂₀ wird über einen Spannungsteiler, bestehend aus einem Reihenwiderstand R₂₁ und einem Parallelwiderstand R₂₃ dem einen Eingang eines Verstärkers III zugeführt. Der andere Eingang des Verstärkers ist wieder über einen Widerstand R₂₂ mit der Bezugslinie und über einen temperaturabhängigen Widerstand R _t mit dem Ausgang verbunden. Wenn das Eingangssignal des Verstärkers III mit V _2i und das Ausgangssignal mit V _2u angegeben wird, gilt:

V _2u gibt den Kohlensäuregehalt in Gew.-% wie folgt an:

Daraus ergibt sich:

und

Folglich:

R₂₂ = 2060 Ω und R₂₁ = 35,44 R₂₃

Die beiden beschriebenen Schaltungen geben sehr genaue Resultate über einen Temperaturbereich, der sich mindestens 0-20°C erstreckt.

Die Ausgangsspannung V _u oder V _2u kann in jeder gewünschten Weise, z. B. digital, wiedergegeben werden und verwendet werden, um, falls notwendig, die Kohlensäurezufuhr während des Bierherstellungsverfahrens zu regeln.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen des Kohlensäuregehalts in einer Flüssigkeit, insbesondere in Bier,
mit einem Gefäß (9), in dem eine Flüssigkeitsprobe abgesondert und oberhalb der Flüssigkeit im Gefäß (9) durch Freisetzen von Kohlensäure eine Kohlensäuregasatmosphäre geschaffen wird
mit einem Druckmeßgerät (5) am Gefäß (9) zum Messen des partiellen Kohlensäuregasdrucks oberhalb der Flüssigkeit,
mit einem temperaturempfindlichen Element im Gefäß (9) für die Temperatur der Flüssigkeit
sowie mit einer Verarbeitungsschaltung für die erhaltenen Meßwerte, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verarbeitungsschaltung eine elektrische Verstärkerschaltung mit einem Operationsverstärker (I, II, III) mit einer Rückkopplungsschleife ist,
daß der elektrischen Verstärkerschaltung ein dem gemessenen partiellen Kohlensäuregasdruck proportionales elektrisches Signal des Druckmeßgeräts (5) zugeführt wird,
daß die Rückkopplungsschleife das temperaturempfindliche Element enthält,
daß die elektrische Impedanz R des temperaturempfindlichen Elements mit der Temperatur T (°K) nach der Beziehung R=k₁ e^k2^/T variiert, wobei k₁ und k₂ Konstanten sind, wobei damit ein linearer Zusammenhang zwischen der Henry-Konstanten f und der elektrischen Impedanz R bei unterschiedlichen Temperaturen T besteht, und
daß das von der elektrischen Verstärkerschaltung abgegebene Ausgangssignal proportional zu dem zu messenden Kohlensäuregehalt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturempfindliche Element ein Thermistor ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschleife auf der Eingangsseite des Verstärkers (I) über einen Einstellwiderstand (R₁) mit der Bezugsspannung verbunden ist und daß der Ausgang des Verstärkers (I) über einen Reihenwiderstand (R₃) mit einem mittels eines Widerstandes (R₂) zurückgekoppelten zweiten Verstärker (II) verbunden ist, wobei das druckempfindliche Element, der Thermistor und die Widerstände so gewählt sind, daß die Ausgangsspannung in Volt gleich ist dem Kohlesäuregehalt in Gramm pro 100 ml Flüssigkeit.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschleife auf der Eingangsseite des Verstärkers (II) über einen Einstellwiderstand (R₂₂) mit der Bezugsspannung verbunden ist und daß das Eingangssignal über einen aus einem Reihenwiderstand (R₂₁) und einem Parallelwiderstand (R₂₃) gebildeten Spannungsteiler dem Verstärker (III) zugeführt wird, wobei das druckempfindliche Element, der Thermistor und die Widerstände so gewählt sind, daß die Ausgangsspannung in Volt gleich ist dem Kohlensäuregehalt in Gramm pro 100 ml Flüssigkeit.