-
Vorrichtung zur Messung der Oberflächenspannung von Flüssig-
-
keiten in Kapillaren
Vorrichtung zur Messung der
Oberflächenspannung von Flüssigkeiten in Kapillaren Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur Messung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten in Kapillaren
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
-
Es sind verschiedene, nämlich statische, semi-dynamische und dynamische
Meßverfahren zur Messung der Oberflächenspannung bekannt. Dabei sind statische Meßverfahren
insofern vorteilhaft, weil die Grenzfläche in ihren geometrischen Abmessungen während
des Meßvorganges weitgehend konstant bleibt. Bei dem sogenannten Kapillarverfahren
wird eine Kapillare in die Flüssigkeit eingetaucht, deren Oberflächenspannung
zu
messen ist. Nach dem Eintauchen der Kapillare steigt die Flüssigkeit in der Kapillare,
wobei die Höhe der Flüssigkeitssäule ein Maß für die Oberflächenspannung ist.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung
zur Messung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten in Kapillaren anzugeben, mit
der das Kapillare bzw.
-
Steighöhenverfahren einfach, präzise und kostengünstig durchzuführen
ist.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Messung der Oberflächenspannung
von Flüssigkeiten in Kapillaren der eingangs genannten Art gelöst, die durch die
in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gekennzeichnet
ist.
-
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht
darin, daß die Bestimmung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten nach dem Kapillar-
bzw. Steighöhenverfahren in einer einfachen, präzisen und kostengünstigen Weise
auch von einem verhältnismäßig ungeübten Personal durchgeführt werden kan: Vorteilhafterweise
sind die bei der vorliegenden Vorrichtung zu verwendenden Präzisions-Einmalkapillaren
schnell einsetzbar und genau justierbar, so daß aufeinanderfolgende Messungen in
einer schnellen Reihenfolge vorgenommen werden können.
-
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung
besteht darin, daß sich die Oberflächenspannung aus der jeweils ermittelten, bzw.
abgelesenen Steighöhe schnell und sehr genau nach der einfachen Formel
bestimmt werden kann, wobei die Faktoren r und g bei der Verwendung gleicher Präzisionskapillaren
und bei der Vornahme der Messungen an gleichen Flüssigkeiten konstant sind und in
der zuvor angegebenen Gleichung eine Konstante bilden, so daß in diese Gleichung
lediglich die Steighöhe eingesetzt werden muß. Es ist denkbar, im voraus die Oberflächenspannung
in Abhängigkeit von der Steighöhe in der Form von Tabellen oder Funktionskurven
zu erstellen, so daß aus der jeweils abgelesenen Steighöhe die entsprechende Oberflächenspannung
sofort anhand der Tabelle oder der Funktionskurve bestimmt werden kann. Die neben
der Kapillare bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehene Skala, die die Steighöhe
anzeigt, kann vorteilhafterweise farbig so gestaltet werden, daß in Abhängigkeit
von den vorgegebenen Messungen farblich unterschiedlich gestaltete Bereiche sofort
erkennen lassen, ob das sich ergebende Meßergebnis in einen "unkritischen" oder
"kritischen" Bereich fällt oder in einem Ubergangsbereich liegt.
-
Vorzugsweise können in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung
auf dem Markt befindliche, preisgünstige Präzisions-Einmalkapillaren verwendet werden,
so daß nach vorgenommenen Messungen keine Reinigungsschritte erforderlich sind.
-
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die vorliegende Vorrichtung
sehr kompakt und stabil aufgebaut ist, was insbesondere für die Parallelrollenführung
gilt, so daß sich besonders präzise und reproduzierbare Meßergebnisse erzielen lassen.
-
Insbesondere läßt sich die vorliegende Vorrichtung auf dem Gebiete
der Medizin zur Fruchtwasseruntersuchung heranziehen, wobei die ermittelte Oberflächenspannung
des Fruchtwassers ein Maß für die Vorhersage eines Atemnotsyndroms (ANS) darstellt.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch sehr vorteilhaft bei Messungen
in peripherem Blut eingesetzt werden, wobei die Oberflächenspannung als ein ebenso
empfindlicher Parameter bei Entzündungsvorgängen wie die Blutkörperchensenkungsgeschwindigkeit
(BSG) gewertet werden kann. Allgemein kann die erfindungsgemäße Vorrichtung im Zusammenhang
mit der Vornahme von Messungen von tensid-aktiven Lösungen, wie beispielsweise Detergenzien,
Öle und Farben, eingesetzt werden.
-
Im folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestaltungen im Zusammenhang
mit den Figuren näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 in schematischer Darstellung eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten
in Kapillaren;
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Parallelrollenführung,
die zum Absenken bzw. Anheben der Kapillare und des Skalenträgers dient; und Fig.
3 und 4 in schematischer Darstellung Binrichtungen zur automatischen Steuerung des
Absenk- und Anhebvorganges der Kapillare und der Skaleneinrichtung.
-
In der Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Fundament bzw. eine
Aufnahmeeinrichtung, in bzw. an der ein Probengefäß 2 anordenbar ist, das die zu
untersuchende Flüssigkeit (z.B. Fruchtwasser) enthält. In dem Fundament 1, das beispielsweise
die Form eines Aluminiumblocks o.dergl. aufweist, befindet sich vorzugsweise eine
Vertiefung 11 zur Aufnahme des Probengefässes 2. An dem Fundament 1 ist eine Verstelleinrichtung
3 befestigt, bei der es sich vorzugsweise um eine Parallelrollenführung handelt,
die nachfolgend im Zusammenhang mit der Fig. 2 noch näher erläutert werden wird.
Durch die Verstelleinrichtung 3 kann eine daran befestigte Skalenträgereinrichtung
6 in Bezug auf das Fundament 1 in die Richtungen des Pfeiles 5, d.h. also nach oben
oder nach unten, verschoben werden. Am oberen Ende der Skalenträgereinrichtung 6
befindet sich ein Anschlagelement 8, das das obere Ende einer Präzisionskapillare
7 vorzugsweise klemmend aufnehmen kann.
-
Am unteren Ende der Skalenträgereinrichtung 6 befindet sich ein Klemmanschlag
4, in dem die Kapillare 7 derart vertikal festklemmbar ist, daß sie in
ihrer
Längsrichtung in einer definierten Lage festgelegt wird, wenn ihr oberes Ende in
dem Anschlagelement 8 sitzt.
-
Im Bereich neben der in dem Anschlagelement 8 und dem Klemmanschlag
4 befestigten bzw. eingesetzten Kapillare 7 befindet sich eine mit 13 bezeichnete
Skala, an der entweder die Steighöhe oder bei geeigneter Skaleneichung direkt die
Oberflächenspannung abgelesen werden kann, wenn die Messungen stets mit den selben
Präzisionskapillaren und an gleichen Flüssigkeiten vorgenommen werden.
-
Die Parallelrollenführung 3 besteht im wesentlichen aus einem Innenrohr
31, einem konzentrisch dazu angeordneten Außenrohr 32 und aus zwischen dem Innenrohr
31 und dem Außenrohr 32 angeordneten Kugeln 33 (Fig. 2). Die Kugeln 33 greifen wenigstens
an einer Seite, d.h. also am Innenrohr 31 und/oder am Außenrohr 32, in der Einfachheit
halber nicht dargestellte Nuten ein, die in der Längsrichtung der Rohre 31 und 32
verlaufen. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß das Außenrohr 32 und die daran
befestigte Skalenträgereinrichtung 6 in Bezug auf das Innenrohr 31, das fest mit
dem Fundament 1 verbunden ist, in der Längsrichtung der Rohre 31, 32 (Pfeilrichtungen
5) bewegt werden können. Aus der Fig.1 ist ersichtlich, daß sich die Parallelrollenführung
soweit nach oben erstreckt, daß sie etwa zwei Drittel der Skalenträgereinrichtung
6 überdeckt. In der Fig. 2 sind der Einfachheit halber lediglich vier Rollen 33
von vier Rollensäulen dargestellt.
-
Das untere Ende jeder Rollensäule bzw.Jeder Nut ist, wenn sich das
Eintauchende der Kapillare 7 in der Flüssigkeit befindet, durch einen Abstand vom
unteren Ende des Innenrohres 31 entfernt, der etwas größer ist als die beabsichtigte
Hublänge.
-
Aus der Fig. 3 geht eine Steuereinrichtung hervor, mit deren Hilfe
ein automatisches Ab senken einer an der Skalenträgereinrichtung 6 befestigten Kapillare
7 in die in dem Probengefäß 2 befindliche Flüssigkeit und ein Anheben der Kapillare
7 aus dieser Flüssigkeit erfolgen können. Im wesentlichen besteht die Steuereinrichtung
aus einem Sensorelement 9, einer Steuerung 12 und einer Antriebseinrichtung 14.
Beispielsweise besteht das Sensorelement 9 aus einer unten an der Skalenträgereinrichtung
befestigten Verlängerung 91, an deren, dem Fundament 1 zugewandten Ende dicht aneinanderliegende
Meßspitzen 92, 93 befestigt sind. Die Länge der Verlängerung 91 ist so bemessen,
daß die Meßspitzen 92, 93 etwas hinter der unteren Endkante einer in die Skalenträgereinrichtung
6 eingesetzten Kapillare enden . Jede Meßspitze 92, 93 ist über eine elektrische
Verbindungsleitung mit der Steuerung 12 verbunden. In dieser wird die Widerstandsänderung
zwischen den Meßspitzen 92,93 erfaßt, die sich ergibt, wenn die etwas über die Kapillare
7 nach unten überstehenden Meßspitzen 92, 93 beim Absenken der Skalenträgereinrichtung
6 die Oberfläche der in dem Probengefäß 2 befindlichen Flüssigkeit berühren. In
diesem Fall erzeugt die Steuerung 12 ein die Abwärtsbewegung der Skalenträgereinrich-
6
beendendes Signal, das an eine Antriebseinrichtung 14, die das Außenrohr 32 in axialer
Richtung hewegen kann, angelegt wird. Bei dieser Einrichtung 14 handelt es sich
beispielsweise um einen Elektromotor, der über ein Schneckengetriebe mit dem Außenrohr
32 verbunden ist.
-
Als Einrichtung 14 kann beispielsweise auch ein Linearmotor o.dgl.
vorgesehen werden. Wen-n die Abwärtsbewegung der Skalenträgereinrichtung 6 durch
die Antriebseinrichtung 14 beendet wird, taucht das untere- Ende der Kapillare 7
eine vorbestimmte Strecke in die Flüssigkeit ein. Diese stcigt dann in der Kapillare
7 nach oben. Nach dem Ablesen der Steighöhe kann durch Betätigen einer Taste 12'
an der Steuerung 12 die Aufwärtsbewegung der Skalenträgereinrichtung 6 bewirkt werden.
-
Dabei bewegt die Antriebseinrichtung 14 das Außenrohr 32 nach oben.
Zum Einleiten des nächsten Meßvorganges wird nach dem Einbringen eines neuen Probengef.ißes
2 in das Fundament 1 eine Taste 12" der Steuerung 12 betätigt. Dadurch wird der
Absenkvorgang für die Skalenträgereinrichtung 6 und die daran befestigte Kapillare
7 eingeleitet. Dieser Vorgang wird in der beschriebenen Weise unterbrochen, wenn
das Sondenelement 9 uim Eintauchen der Meßspitzen 92, 93 ein Meßsignal abgibt.
-
Bei einer besonders bevorzugten einfachen Ausführungsform des Sensorelementes
9 ist nur eine Meßspitze 94 bzw. ein Kontaktelement vorgesehen, das zusammen mit
der Kapillare 7 in die Flüssigkeit eintaucht und dabei einen Stromkreis
schließt,
der über die elektrisch leitende, zu untersuchende Flüssigkeit führt. In diesem
Fall wird durch die Steuerung 12 die Widerstandsänderung zwischen der Flüssigkeit
und der Meßspitze 94 ausgewertet. Vorzugsweise kann dabei das Probengefäß 2 aus
einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise einem Kunststoffmaterial, dem
Graphit zugemischt ist, bestehen, wobei der Stromkreis dann über das elektrisch
leitende Fundament 1, das beispielsweise aus Aluminium besteht, das Probengefäß
2, die Flüssigkeit und die Meßspitze verläuft, die nach unten etwas über die Kapillare
7 übersteht.
-
In der Fig. 4 ist diese Schaltungsanordnung schematisch dargestellt.
-
Es wird darauf hingewiesen, daß die vorliegende Vorrichtung auch so
ausgestaltet werden kann, daß die Kapillare direkt manuell mit zum Beispiel einem
progressiven Hebel zwischen zwei mechanischen Anschlägen bewegbar ist. An der Stelle
der Parallelrollenführung können auch andere geeignete Lagerungen bzw. Halterungen
vorgesehen werden.
-
Im folgenden wird die Durchführung eines Meßvorganges im Zusammenhang
mit einer Fruchtwasseruntersuchung zur Bestimmung des Atemnotsyndroms stichpunktartig
erläutert: 1. Befestigen der Präzisionskapillare 7 an der Skalenträger-.
-
einrichtung 6.
-
2. Zentrifugieren von Fruchtwasser (bei etwa 3000 g) während einer
Zeitspanne von etwa 10 Minuten.
-
3. Einfüllen des zentrifugierten Fruchtwassers in ein Probengefäß
2, das sich entweder bereits im Fundament 1 befindet oder zusammen mit dem Fruchtwasser
in dieses eingesetzt wird.
-
4. Absenken der Skalenträgereinxichtung 6 zusammen mit der Kapillare
7 auf ein bestimmtes Niveau in der zuvor beschriebenen Weise entweder mit der Hilfe
einer elektrischen Steuereinrichtung 9, 11, 12 bis zu einer vorneqebenen Position
oder manuell bis zu einem vorgebenen Anschlag.
-
5. Ablesen des Meßwertes an der Skala 13 nach etwa 10 bis 20 Minuten.
-
6. Ermitteln der Oberflächenspannung entweder an der geeichten Skala
13 oder aus einer zuvor erstellten Tabelle oder Funktionskurve.
-
Die Meßspitzen 92 und 93 oder 94 können auch die Form eines von der
Skalenträgereinrichtung 6 nach unten ragenden elektrisch leitenden Drahtes oder
Stiftes aufweisen. Das Probengefäß 2 kann beispielsweise auch aus einem geeigneten
Metall bestehen, wenn es elektrisch leiten soll.
-
- Leerseite -