DE4228942C1

DE4228942C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE4228942C1
Application number: DE19924228942
Authority: DE
Inventors: Martin Reck
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-08-31
Filing date: 1992-08-31
Publication date: 1994-01-20
Anticipated expiration: 2012-09-01

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 10.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art ist in OHASAWA Toshihiko, Ozaki Tadao, "New method for determination of surface tension of liquids" in US-Z Rev. Sci. Instrum., Vol. 52, Nr. 4, 1. April 1981, Seiten 590 bis 593 als bekannt ausgewiesen. Dabei werden die Gasblasen mittels eines Abtastorgans erfaßt und hinsichtlich Größe und Anzahl ausgewertet. Hierzu wird eine Düse mit ihrem röhrenförmigen Einlaß unter die Flüssigkeitsoberfläche getaucht, während die Düsenöffnung die Flüssigkeitsoberfläche überragt.

Eine Vorrichtung zur Messung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten ist auch in der DE 87 10 190 U1 beschrieben. Hierbei wird die Messung mit einer in die Flüssigkeit eintauchenden Meßplatte durchgeführt, die von einem Kraftaufnehmer getragen wird. Die Auslenkung des Kraftaufnehmers dient als Maß für den Schub und wird ausgewertet, um die Änderung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten zu ermitteln.

In der DE 29 15 956 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Oberflächenspannung elektrisch leitender Flüssigkeiten vorgeschlagen, bei der an einer in die zu messende Flüssigkeit eintauchenden Kapillare Gasblasen austreten, die einen in der Flüssigkeit angeordneten Schalter öffnen und schließen, und die Zeiten zwischen den Schalterimpulsen gemessen werden. Hierzu ist ein besonders ausgebildetes Meßrohrsystem vorgesehen, in das Gasblasen eingeleitet werden.

In der DE 29 10 201 A1 ist ein Verfahren zur automatischen Messung der Oberflächenspannung flüssiger Stoffe beschrieben, bei der ein Tropfen bzw. eine Blase mit parallelem Licht beleuchtet wird und das Bild zur Ermittlung der Oberflächenspannung ausgewertet wird.

Insbesondere für kontinuierliche Messungen sind die Verfahren bzw. Vorrichtungen relativ aufwendig und es besteht die Gefahr, daß Störungen die Meßergebnisse verfälschen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten anzugeben, die auch bei kontinuierlicher Messung auf einfache und zuverlässige Weise genaue Meßergebnisse liefern.

Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1 bzw. 10 angegebenen Merkmalen gelöst.

Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, daß in eine Flüssigkeit Gas eingeleitet wird, das Gasblasen bildet, die an die Flüssigkeits-Oberfläche strömen und mittels eines über der Flüssigkeits-Oberfläche angeordneten Abtastorgans erfaßt und hinsichtlich Größe und/oder Anzahl ausgewertet werden.

Durch die Vielzahl der erfaßten und zur Auswertung zur Verfügung stehenden Blasen ist das Verfahren weitgehend unabhängig von Störfaktoren, welche andere Meßverfahren zum Teil unbrauchbar machen, wie z. B. bei der optischen Messung eine Verunreinigung oder Trübung der zu messenden Flüssigkeit, die keinen oder sehr geringen Einfluß auf die Oberflächenspannung haben können.

Bei der Vorrichtung ist vorgesehen, daß das Abtastorgan über der Oberfläche der Flüssigkeit anordenbar ist zur Erfassung der Gasblasen und daß die Auswertevorrichtung zur Ermittlung der Oberflächenspannung ausgebildet ist.

Gute Ergebnisse werden erhalten, wenn die Gasblasen senkrecht unter dem Abtastorgan gebildet werden.

Eine sehr feine Positioniermöglichkeit und Auswertung ergibt sich, wenn die Flüssigkeit, an der die Messung durchgeführt wird, als kleine Teilmenge einem großen Flüssigkeitsvolumen entnommen wird.

Die Flüssigkeitsoberfläche kann auf einfache Weise durch einen regulierten Zu- und Ablauf auf im wesentlichen konstantem Niveau gehalten wird.

Zur einfachen Justierung oder zur einfachen Meßwerterfassung kann der Abstand des Abtastorgans von der Flüssigkeits-Oberfläche in Abhängigkeit von der Größe und/oder der Anzahl der Gasblasen nachgeführt werden.

Eine Möglichkeit der Auswertung der Oberflächenspannung ergibt sich dadurch, daß über das Abtastorgan durch Einstellen eines geeigneten Abstandes nur die größten Gasblasen erfaßt und dadurch Meßimpulse erzeugt werden.

Eine weitere Möglichkeit zur Auswertung der Oberflächenspannung, die insbesondere bei elektrisch nicht leitenden Flüssigkeiten oder explosiven Flüssigkeiten angewandt werden kann, besteht darin, daß der von den Gasblasen an dem Abtastorgan erzeugte Druck ausgewertet wird.

Werden die Impulse zum Auswerten integriert, so können momentane Störungen ausgemittelt werden.

Eine Auswertung kann weiterhin dadurch erfolgen, daß die Einstellgröße des Abtastorgans herangezogen wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind in den Patentansprüchen 11 bis 18 angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten,

Fig. 2 eine Draufsicht der Vorrichtung nach Fig. 1, und

Fig. 3 eine mit einer Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2 aufgenommene Eichkurve, welche Meßimpulse in Abhängigkeit von auf einer Flüssigkeitsoberfläche als Ölfilm verteilten Schmieröltropfen zeigt.

Die Fig. 1 zeigt als wesentliche Bestandteile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten einen Behälter 1 mit Flüssigkeit, an der die Messung vorzunehmen ist, einen Schwimmkörper 2 mit einem daran angeordneten Abtastorgan 9 und eine elektrische Auswertevorrichtung 13.

Die sich in dem Behälter 1 befindende Flüssigkeit kann ein kleiner Anteil eines großen Flüssigkeitsvolumens sein, über dessen Oberflächenspannung bzw. Abweichung von den normalen physikalischen Eigenschaften Aufschluß erwünscht ist. Die Flüssigkeit fließt dem Behälter über einen Zulauf 4 zu und über einen mit einem Ventil 14, beispielsweise einem Schwimmerventil, versehenen Ablauf 5 ab, der vorzugsweise unterhalb der Flüssigkeits-Oberfläche 3 angeordnet ist.

Über den Zu- und Ablauf kann ein konstantes Niveau der Flüssigkeits-Oberfläche 3 aufrechterhalten werden. Durch das Schwimmerventil 14 läßt sich eine gewünschte Anreicherung der oberen Flüssigkeitsphase erreichen.

In der Flüssigkeit ist eine Gaszufuhrvorrichtung 6 mit einer Gasverteilereinheit 7 angeordnet. Ein Schwimmkörper 2 in Form eines Pontons ist auf Beinen schwimmend über der Gasverteilereinheit 7 auf der Flüssigkeits-Oberfläche 3 mit geringem Abstand von dieser positioniert. An der Unterseite des Pontons 2 ist ein Abtastorgan 9, beispielsweise in Form eines Drahtgitters, in einem solchen Abstand von der Flüssigkeits-Oberfläche 3 angeordnet, daß Gasblasen 8 - vorliegend die dickeren - mit dem Drahtgitter in Berührung treten. Der Abstand des Abtastorgans 9 von der Flüssigkeits-Oberfläche 3 ist mittels einer Verstellvorrichtung vorliegend in Form von Verstellstiften 10 variierbar.

An das Abtastorgan 9 ist eine Elektrode 11 angeschlossen, die zu einer elektrischen Auswertevorrichtung 13 führt. Eine zweite Elektrode 12 befindet sich in der Flüssigkeit und ist ebenfalls an der Auswertevorrichtung 13 angeschlossen, um über die Flüssigkeit und die Gasblasen 8 einen elektrischen Stromkreis zu vervollständigen.

Das Meßprinzip beruht darauf, daß sich die Anzahl und/oder die Größe der aus der Flüssigkeit aufsteigenden Gasblasen 8 in Abhängigkeit von der Oberflächenspannung der Flüssigkeit ändert. Die Änderung der Oberflächenspannung läßt wiederum Rückschlüsse beispielsweise auf die Verunreinigung der Flüssigkeit zu.

Durch die Gasverteilereinheit 7 wird die Gaszufuhr in kleine Gasblasen verteilt, die sich an der Flüssigkeits-Oberfläche 3 in Abhängigkeit der Oberflächenspannung der Flüssigkeit zu größeren Gasblasen vereinen. Die Häufigkeit der Gasblasenkontakte am Abtastorgan 9 pro Zeiteinheit ist, in Verbindung mit einer Eichkurve, ein Maß der Oberflächenspannung der Flüssigkeit.

Die Auswertevorrichtung 13 kann so ausgestaltet sein, daß ein Alarm ausgelöst wird, wenn eine Anzahl von Impulsen pro Zeiteinheit eine bestimmte Schwelle unterschreitet.

Umgekehrt kann die Auswertevorrichtung 13 so ausgelegt sein, daß eine pro Zeiteinheit erhöhte Impulszahl infolge erniedrigter Flüssigkeits-Oberflächenspannung gemeldet wird.

Auch kann durch Zählen bzw. Integration der Impulse bzw. der über das Abtastorgan 9 gelieferten Strom- oder Spannungswerte eine fortlaufende Registrierung der Größe und/oder Anzahl der Gasblasen und Anzeige der Oberflächenspannung oder der darauf zurückzuführenden Verunreinigung erfolgen.

Bei einer anderen Ausführung können durch eine automatische, motorische Nachführung des Abtastorgans 9 mittels der Verstellvorrichtung auf die größten Gasblasen und einer Wegmessung Rückschlüsse auf die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit gezogen werden.

Bei einer weiteren Ausführung wird vorzugsweise mit konstantem Abstand des Abtastorgans 9 zur Flüssigkeits-Oberfläche der elektrische Widerstand von Gasblasen 8 gemessen, wobei zeitgleiche Gasblasenberührungen des Abtastorgans 9 Widerstandsänderungen hervorrufen, die unter Zuhilfenahme von Eichkurven eine Beziehung zur Oberflächenspannung der Flüssigkeit herstellen.

Bei elektrisch nicht bzw. schlecht leitenden oder explosiven Flüssigkeiten bzw. Gasblasen können die beschriebenen Verfahren auch indirekt über eine Druckerfassungseinrichtung mit empfindlichem oder mehreren Druckaufnehmern, die am Abtastorgan 9 angebracht sind, realisiert werden. Durch die nachfolgende Auswerteschaltung 13 werden Druckänderungen bzw. Druckimpulse in elektrische Größen umgewandelt und ausgewertet.

In Fig. 3 ist eine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgenommene Eichkurve dargestellt, wobei auf der Ordinate die Anzahl der Impulse pro Minute und auf der Abszisse die Anzahl von in der Flüssigkeit vorhandenen Öltropfen aufgetragen sind. Die Flüssigkeits-Oberfläche betrug 716 cm².

Die Vorrichtung bzw. der Schwimmkörper 2 mit dem Abtastorgan 9 kann an unterschiedlichen Stellen einer großen Oberfläche beispielsweise zur Stichprobenmessung oder auch über lange Dauer an einer Meßstelle eingesetzt werden und ist insbesondere für kontinuierliche Messungen der Oberflächenspannung oder der damit zusammenhängenden Verunreinigungen der zu prüfenden Flüssigkeit gut geeignet.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten, bei dem in eine Flüssigkeit Gas eingeleitet wird, das Gasblasen bildet, die an die Flüssigkeits-Oberfläche strömen und mittels eines Abtastorgans erfaßt und hinsichtlich Größe und/oder Anzahl ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastorgan über der Flüssigkeits-Oberfläche angeordnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasblasen senkrecht unter dem Abtastorgan gebildet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit, an der die Messung durchgeführt wird, als kleine Teilmenge einem großen Flüssigkeitsvolumen entnommen wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit, an der die Messung durchgeführt wird, durch regulierten Zu- und Ablauf auf konstantem Niveau gehalten wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Abtastorgans von der Flüssigkeits-Oberfläche in Abhängigkeit von der Größe und/oder der Anzahl der Gasblasen nachgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über das Abtastorgan durch Einstellen eines geeigneten Abstandes nur die größten Gasblasen erfaßt und dadurch Meßimpulse erzeugt werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der von den Gasblasen an dem Abtastorgan erzeugte Druck ausgewertet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß über das Abtastorgan erzeugte Impulse zum Auswerten integriert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellgröße des Abtastorgans ausgewertet wird.

10. Vorrichtung zur Messung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten mit einer Gaszufuhrvorrichtung und einer damit verbundenen Gasverteilereinheit, die in die Flüssigkeit einbringbar und zur Bildung von Gasblasen in der Flüssigkeit ausgebildet ist, mit einem Abtastorgan, das zur Erfassung der Gasblasen ausgebildet ist und mit einer Auswertevorrichtung, die zur Registrierung der Größe und/oder der Anzahl der Gasblasen ausgebildet und an das Abtastorgan angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastorgan (9) über der Oberfläche der Flüssigkeit anordenbar ist zur Erfassung der Gasblasen (8) und daß die Auswertevorrichtung (13) zur Ermittlung der Oberflächenspannung ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastorgan (9) an einem Schwimmkörper (2) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwimmkörper (2) lediglich mit Stützfüßen oder Stützbeinen in die Flüssigkeit eingetaucht ist und daß das Abtastorgan (9) mit Verstellelementen (10) zur Änderung des Abstandes des Abtastorgans (9) von der Flüssigkeits-Oberfläche (3) an dem Schwimmkörper (2) versehen ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastorgan (9) ein in Abstand über der Flüssigkeits-Oberfläche anordenbares Drahtgitter aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Abtastorgan (9) eine an die Auswertevorrichtung (13) angeschlossene Elektrode (11) und eine in der Flüssigkeit anordenbare zweite Elektrode (12) vorgesehen sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastorgan (9) eine Druckerfassungseinrichtung aufweist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswertevorrichtung (13) eine Integrationseinrichtung vorhanden ist und daß die Auswertevorrichtung (13) zur Auslösung von Alarm entweder bei pro Zeiteinheit fehlender oder bei pro Zeiteinheit erhöhter Anzahl von Impulsen ausgebildet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertevorrichtung (13) zur Angabe des jeweiligen Meßwertes der Oberflächenspannung ausgebildet ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein Behälter (1) zur Aufnahme der Flüssigkeit vorhanden ist, der zur Konstanthaltung des Flüssigkeitsniveaus einen Zulauf (4) und einen Ablauf (5) aufweist, und daß der Ablauf mit einem Schwimmerventil (14) versehen ist.