DE4424422C2 - Vorrichtung zum Bestimmen der Konzentration einer Flüssigkeitsmischung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Bestimmen der Konzentration einer Flüssigkeitsmischung. Mit einer solchen Vorrichtung kann z. B. die Konzentration einer Wasser/Frostschutzmittel-Mischung etwa in einer Heizanlage oder in dem Kühlkreislauf eines Motores bestimmt werden.

Aus der US-PS 47 41 200 ist eine Vorrichtung zum Bestimmen der Viskosität einer Flüssigkeit mit einem Meßquarz und einem Referenzquarz bekannt. Meßquarz und Referenzquarz sind in den Parallelzweigen einer Brückenschaltung gelegen und werden gemeinsam durch einen Oszillator zu Dickenscherschwingungen angeregt. Der Meßquarz wird in die zu messende Flüssigkeit eingetaucht, während der Referenzquarz z. B. in Luft oder einer Referenzflüssigkeit gelegen ist. Im ersten Parallelzweig der Brücke mit dem Meßquarz ist noch ein Widerstand, im zweiten Parallelzweig mit dem Referenzquarz ein Abgleichwiderstand gelegen. Jeweils zwischen den Quarzen und den Widerständen wird das Brückensignal abgenommen und den Eingängen eines Verstärkers zugeführt, wo die Offset-Spannung gemessen wird. In einem anschließenden Detektor mit einer Anzeige wird dann direkt die Viskosität der Flüssigkeit angezeigt.

Für die Bestimmung der Konzentration einer Flüssigkeit in einer Flüssigkeitsmischung kann die Tatsache ausgenutzt werden, daß die Viskosität der Flüssigkeitsmischung sich in Abhängigkeit der Konzentration signifikant ändert, und daß die Frequenzen der Scherschwingungen von Meß- und Referenzquarz ebenfalls signifikant von der Viskosität abhängen.

Vor einer Messung wird die Brücke abgeglichen und kalibriert, indem beide Quarze in Luft oder einer Referenzflüssigkeit eingetaucht werden und die Oszillatorfrequenz auf einen Wert von ungefähr 0,2 Prozent oberhalb der Resonanzfrequenz eingestellt wird. Der Abgleichwiderstand wird dann solange verändert, bis eine minimal Offset-Spannung erreicht wird. Für die Messung verbleibt der Referenzquarz in Luft oder der Referenzflüssigkeit, wonach die Oszillatorfrequenz über einen bestimmten Frequenzbereich durchfahren wird. Dabei zeigt die Offset-Spannung zwei Peaks, wobei einer der Peaks der Resonanz des Referenzquarzes und der andere Peak der Resonanz des Meßquarz es in der zu messenden Flüssigkeit entspricht. Aus diesen beiden Werten kann dann anhand einer Kalibrierkurve die Viskosität der Flüssigkeit bestimmt werden.

Wie in diesem US-Patent ausgeführt, muß der Oszillator sehr frequenzstabil sein, um Resonanz und Antiresonanz der Quarze bestimmen zu können. Die Frequenzstabilität muß etwa zwischen 1 bis 10 Hz liegen, um ausreichend genaue Ergebnisse zu erhalten.

Des weiteren ist das Verfahren relativ umständlich, da zum einen ein breiter Frequenzbereich kontinuierlich von dem Oszillator durchfahren werden muß und die Handhabung der beiden Quarze in der Brückenschaltung recht umständlich ist. Außerdem sind bei dieser Vorrichtung keine Möglichkeiten vorgesehen, die Abhängigkeit der Viskosität von Druck und Temperatur zu berücksichtigen, wodurch eine Bestimmung der Viskosität fehlerhaft wird.

S. Bruckenstein und M. Shay schlagen in Electrochimica Acta. Band 30, Nr. 10, 1985, Seiten 1295 bis 1300, eine als Quarzmikrowaage bezeichnete Vorrichtung vor, die einen Meßquarz und einen in Luft befindlichen Referenzquarz aufweist, die beide mit einer eigenen Oszillatorschaltung verbunden sind. Die Ausgangssignale des Referenzquarzes werden als Taktsignale benutzt, um die Differenzfrequenz der beiden Quarze zu bestimmen, die ein Maß für die Viskosität der Flüssigkeitsmischung, und damit auch für die Konzentration der zu messenden Flüssigkeit in der Mischung ist. Für diese Vorrichtung ist eine elektrochemische Zelle vorgesehen, in der die Flüssigkeitsmischung, insbesondere ein Elektrolyt, eingefüllt ist. Die Anordnung des Referenzquarzes ist relativ weit entfernt von der Position des Meßquarzes. Die gesamte Apparatur ist nicht dafür ausgelegt, Druck- und Temperatureinflüsse auf die Flüssigkeitsmischung zu berücksichtigen.

Aus der britischen Patentanmeldung GB 21 49 109 A ist eine Vorrichtung zum Bestimmen der Masse oder der Schichtdicke von gasförmigen, flüssigen oder festen Substanzen auf den Elektroden eines Meßquarzes bekannt. Diese Vorrichtung weist eine nach außen offene Meßkammer mit einem darin aufgeständert gehaltenen Meßquarz und eine gesonderte und abgeschlossene Referenzkammer mit einem ebenfalls darin aufgeständerten Referenzquarz auf. Diese Vorrichtung kann z. B. in Zusammenhang mit der Kontamination der Umgebungsluft verwendet werden. Die Vorrichtung ist jedoch nicht geeignet, direkt die Viskosität oder daraus die Konzentration einer Flüssigkeitsmischung zu bestimmen. Würde die Vorrichtung in eine Flüssigkeit eingetaucht, so würde der Meßquarz mit den auf gegenüberliegenden Seiten gelegenen Elektroden allseitig von der Flüssigkeit umgeben sein. Da eine Vielzahl von Flüssigkeiten, unter anderem auch Kühlflüssigkeiten, eine zumindest nicht vernachlässigbare elektrische Leitfähigkeit haben, käme es somit zu einem Kurzschluß zwischen den beiden Elektroden. Das Gleiche träte auf, wenn die Referenzkammer mit einer Referenzflüssigkeit gefüllt wäre.

Aus der US 25 36 111 ist eine Vorrichtung zum Messen und Anzeigen der Gegenwart von kondensierbaren Stoffen in einem Dampf bekannt, wobei ebenfalls ein Meßquarz mit einer Resonatorschaltung verwendet wird. Die auf gegenüberliegenden Seiten des Meßquarz es gelegenen Elektroden sind mit einem veränderlichen Widerstand miteinander verbunden, der dazu dient, die Temperatur des Meßquarzes einzustellen. Bei Erhöhung des Widerstandes erhöht sich nämlich die Schwingungsamplitude des Meßquarzes und damit auch dessen Temperatur. Durch entsprechendes Erniedrigen des Widerstandes ist es möglich, den Meßquarz entsprechend abzukühlen. Die Temperatur einer Seite des Meßquarzes wird so eingestellt, daß sich auf einer Elektrode eine Schicht eines zu bestimmenden Stoffes ablagert, was durch die Änderung der Schwingungsfrequenz des Meßquarzes festgestellt wird.

Vorzugsweise ist hierbei noch ein Referenzquarz mit einem bekannten Temperaturkoeffizienten vorgesehen, um die Vorrichtung zu kalibrieren. Dieser Referenzquarz ist von den Einflüssen des den zu kondensierenden Stoff enthaltenen Dampfes abgeschirmt.

Aus der DE 40 13 665 C2 ist eine Vorrichtung zum Nachweisen eines Stoffes oder zur Konzentrationsmessung des Stoffes in einer Flüssigkeit bekannt, bei der ebenfalls ein Meßquarz mit einer Resonatorschaltung verwendet wird. Der Meßquarz steht an einer seiner Seitenflächen mit der Flüssigkeit in Kontakt, wobei sich bei einer Massenanlagerung des nachzuweisenden bzw. in seiner Konzentration zu bemessenden Stoffes die Resonanzfrequenz des Meßquarzes ändert. Der Meßquarz mit den Meßelektroden ist an seinem Umfang zwischen zwei Silikondichtungen gelagert. Die Vorrichtung hat eine hohe Empfindlichkeit bei bereits geringen Massenanlagerungen oder Konzentrationsänderungen. Ein Referenzquarz ist bei dieser Vorrichtung nicht vorhanden. Die Vorrichtung ist insbesondere geeignet zur Messung der Konzentration von chemischen oder biochemischen Substanzen sowie von Mikroorganismen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute Vorrichtung zur Messung der Viskosität einer Flüssigkeit und damit auch zum Bestimmen der Konzentration einer Flüssigkeitsmischung anzugeben, die genaue Meßergebnisse liefert, wobei im wesentlichen auch Druck- und Temperatureinflüsse korrigierbar sind, und die für vielfältige Anwendungen eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Demnach weist die Vorrichtung einen Meßkopf auf, in dem Meß- und Referenzquarz unmittelbar benachbart, z. B. getrennt nur durch einen Abstandshalter, gelagert sind. Damit erhält man einen kompakten Sensor, bei dem beide Quarze etwa den gleichen Umweltbedingungen ausgesetzt sind, so daß etwa Druck und Temperatur für Meß- und Referenzquarz in der Regel annähernd gleich sind und deren Einflüsse auf die Meßergebnisse leicht, z. B. durch entsprechende Kalibrierkurven kompensiert werden können. Die beiden Quarze sind jeweils das frequenzbestimmende Element in je einer selbst erregten Resonanzschaltung, die so ausgelegt ist, daß der Quarz jeweils knapp (z. B. einige Kilohertz) unterhalb der Serienresonanz schwingt.

Meßkammer und Referenzkammer liegen unmittelbar benachbart, wobei der Boden jeder Kammer bzw. zumindest ein Teil dieses Bodens durch jeweils ein Quarzplättchen gebildet ist. Die Böden der beiden Kammern liegen unmittelbar benachbart zueinander, gegebenenfalls getrennt durch einen Abstandshalter oder etwa eine Schirmung, um gegenseitige mechanische und elektrische Beeinflussung zu vermeiden. Es ist selbstverständlich auch möglich, Meß- und Referenzquarz auf einem gemeinsamen Quarzsubstrat zu realisieren, so daß Meß- und Referenzkammer direkt seitlich benachbart zueinander liegen.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann sehr kompakt gebaut und vielfältig eingesetzt werden. Es ist z. B. möglich, Meß- und Referenzquarz in einen kompakten Meßkopf einzubauen und diesen mit einem Handgriff zu verbinden, in dem dann die Auswerteschaltung und eine Anzeige angeordnet sind. Hiermit wird ein tragbarer Sensor geschaffen, mit dem rasch die Konzentration einer Flüssigkeitsmischung bestimmt werden kann. Ebenso ist es möglich, den Meßkopf fest z. B. in den erwähnten Kreislauf einer Heizanlage und die Auswerteschaltung in einen Schaltkasten der Heizanlage einzubauen. Dieser Sensor dient dann dazu, die Konzentration des Frostschutzmittels anzugeben und vor einem Mangel an Frostschutzmittel zu warnen. Der Meßkopf ist hierzu bevorzugt in einer Zelle angeordnet, deren eine Wand mit einem Filter versehen ist, der in dem Kreislauf vorhandene Partikel von dem Meßkopf fernhält. Ansonsten ist die Zelle flüssigkeitsdicht.

Die Auswerteschaltung kann sehr einfach aufgebaut sein: Sie weist einen Mischer auf, mit dem die Ausgangssignale der beiden Oszillatoren verbunden sind, wobei dessen Ausgangssignal mit einer Komparator- und Anzeigeschaltung verbunden ist, in dem die Differenzfrequenz zwischen den Frequenzen von Meßquarz und Referenzquarz bestimmt und in numerische Werte der Viskosität umgesetzt werden. Vorzugsweise ist noch zwischen Mischer, dem analoge Frequenzen zugeführt werden, ein Frequenz- Spannungswandler vorgesehen, so daß die Auswerteschaltung eine vorgegebene Spannung auswertet.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung ist in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser stellen dar:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Bestimmen der Konzentration einer Flüssigkeitsmischung;

Fig. 2 eine schematische teilweise geschnittene Ansicht eines Handgerätes zum Messen der Konzentration mit einem gemäß der Erfindung aufgebauten Meßkopf;

Fig. 3 eine Explosionsdarstellung des Meßkopfes aus Fig. 2;

Fig. 4 die Anordnung eines Meßkopfes in einer Zelle zum festen Einbau des Sensors in einem Flüssigkeitskreislauf;

Fig. 5 eine selbst erregte Resonatorschaltung mit dem frequenzbestimmenden Meß- oder Referenzquarz für einen Meßkopf gemäß der Erfindung;

Fig. 6 die errechnete negative Änderung der Resonanzfrequenz eines Quarzes in Abhängigkeit der Konzentration einer Kühlflüssigkeit aus Wasser und Frostschutzmittel für 20°C und 80°C, bei einer Referenzflüssigkeit aus Wasser und 30 Vol.-% Frostschutzmittel;

Fig. 7 ein Meßdiagramm für unterschiedliche Konzentrationen eines Frostschutzmittels in einer Kühlflüssigkeit für Temperaturen zwischen 40°C und 80°C, bei einer Referenzflüssigkeit aus Wasser und 30 Vol.-% Frostschutzmittel, aufgetragen in Abhängigkeit der Ausgangsspannung einer Auswerteschaltung;

Fig. 8 den Phasengang der Admittanzen von Meß- und Referenzquarz, wobei für den Meßquarz Phasengänge für unterschiedliche Fluide und Konzentrationen dargestellt sind.

Die Ausführungsbeispiele sollen in Verbindung mit der Bestimmung der Frostschutzmittelkonzentration im Kühlwasser z. B. einer Heiz- oder Kühlanlage oder im Kühlkreislauf eines Kfz-Motores erläutert werden. Durch Zugabe von Frostschutzmittel zum Kühlwasser wird das Gefrieren einerseits und das Übersieden andererseits verhindert. Außerdem bietet eine solche Zugabe Schutz gegen Rosten und Korrosion, ohne Gummischläuche zu beeinträchtigen. Moderne Frostschutzmittel sollen das ganze Jahr über in einer optimalen Konzentration im Kühlwasser, etwa zwischen 40% bis 60 %, enthalten sein. Die Zugabe von Frostschutzmittel erhöht den Siedepunkt der Kühlflüssigkeit und senkt deren Gefrierpunkt. Die Viskosität der Kühlflüssigkeit ist stark von der Konzentration des Frostschutzmittels abhängig. Wird Glycol als Frostschutzmittel verwendet, so steigt z. B. die Viskosität bei 30°C von etwa 1 cP bei 0 Vol-% Glycol im Wasser bis auf etwa 10 cP bei 75 Vol-% an. Diese Viskositätsänderung kann mit Hilfe eines Sensors 1 bestimmt werden, dessen Aufbau schematisch in Fig. 1 dargestellt ist.

Der Sensor weist einen Meßkopf 2 auf, in dem zwei Schwingquarze, nämlich ein Meßquarz MQ und ein Referenzquarz RQ angeordnet sind. Die elektrische Beschaltung der beiden Quarze wird so dimensioniert, daß diese knapp unterhalb ihrer jeweiligen Serienresonanzfrequenz schwingen. Die Resonanzfrequenzen der beiden Quarze werden unterschiedlich ausgelegt. In der Praxis liegen die Resonanzfrequenzen bei einigen Megahertz, wobei die Resonanzfrequenz des Referenzquarzes RQ um einige Kilohertz, z. B. ca. 20 Kilohertz höher gewählt wird als diejenige des Meßquarzes. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, daß die Oberfläche des Plättchens des Meßquarzes durch längeres Besputtern mit Gold dicker gemacht wird. Mit dem Meßquarz MQ und dem Referenzquarz RQ ist jeweils ein Oszillator O1 mit der Frequenz F1 bzw. O2 mit der Frequenz F2 verbunden. Die Quarze und die Oszillatoren sind in eine selbst erregte Oszillatorschaltung eingefügt, die näher in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben wird. Die Oszillatorfrequenzen F1 und F2 werden einem Mischer M zugeführt, in dem die Differenzfrequenz ΔF bestimmt wird. Diese Differenzfrequenz wird in einem Frequenz/Spannungswandler W in eine Spannung umgewandelt, die in einer Auswerteschaltung A in einen zugehörigen Konzentrationswert umgewandelt wird, der an eine Anzeige ausgegeben wird, an der die Konzentration des Frostschutzmittels in der Kühlflüssigkeit z. B. in Volumenprozent erscheint. In dem Meßkopf 2 ist noch ein Thermoelement T vorgesehen, dessen die Temperatur von Kühl- und Referenzflüssigkeit angebendes Ausgangssignal ebenfalls der Auswerteschaltung A zugeführt wird, so daß dort die Konzentrationswerte temperaturkorrigiert werden können.

In Fig. 2 ist ein Sensor 1 im Schnitt dargestellt, der als Handgerät eingesetzt werden kann. In den Meßkopf 2 ist ein Handgriff 3 eingeschraubt, der an seinem Ende die Auswerteschaltung A mit der Anzeige D, z. B. einem LED-Display aufweist. Der Meßkopf weist ein Gehäuse 4 mit einem zylinderförmigen Innenraum auf, wobei dieser Innenraum aufgeteilt ist in eine Meßkammer 5 und eine Referenzkammer 6. Die Meßkammer weist an der äußeren Stirnseite des Gehäuses eine freie Öffnung 7 auf; deren Boden wird gebildet durch den parallel zu der Stirnseite gelegenen Meßquarz MQ, der sich auf einem Distanzring 8 abstützt, dessen Ringöffnung etwa dem Durchmesser der Meßkammer entspricht. Zwischen einem umlaufenden Kragen 9 am Rand der freien Öffnung 7 und dem Meßquarz MQ ist ein O-Ring 10 gelegen, der die Seitenwand der Meßkammer bildet und diese gegen den übrigen Innenraum des Meßkopfes flüssigkeitsdicht abdichtet. Auf der dem Meßquarz gegenüberliegenden Seite des Distanzringes 8 ist der Referenzquarz RQ montiert, der den Boden der Referenzkammer 6 bildet. Die Seitenwand der Referenzkammer wird durch einen anschließenden O-Ring 11 und die Innenwand eines Edelstahlringes 12 gebildet, dessen Ringöffnung 13 etwa dem Innendurchmesser des Distanzringes entspricht. Die freie Öffnung dieses Edelstahlringes ist mit einer Membrandichtung 14, z. B. einer Vitondichtung abgedeckt. Die gesamte Anordnung wird durch einen Deckel 15 abgeschlossen und mit Hilfe von Schrauben, die in das Gehäuse 4 eingeschraubt werden, zusammengespannt. Der Deckel 15 weist einen die Öffnung des Edelstahlringes 12 überspannenden Hohlraum 16 auf, der über eine weitere Öffnung 17 mit der Umgebung kommuniziert.

In die Referenzkammer 6 ist eine Referenzflüssigkeit, z. B. eine Mischung aus 70 Vol.-% Wasser und 30 Vol.-% Frostschutzmittel eingefüllt. Aufgrund der Vitondichtung und des Deckels 15 ist es möglich, daß sich das Volumen der Referenzkammer ändert, ohne daß der Druck auf den Referenzquarz RQ wesentlich variiert.

Mit den Quarzen sind nicht gezeigte Anschlußleitungen verlötet, die über die Einschrauböffnung für den Handgriff zu der Auswerteschaltung geführt werden. Der elektrische Kontakt zwischen Quarz und Anschlußleitungen kann auch anders erfolgen, z. B. durch Verpressen innerhalb der Anordnung etc.

Nach einer Kalibrierung der Vorrichtung wird bei einer Messung der Meßkopf 2 in die Kühlflüssigkeit getaucht, so daß diese über die freie Öffnung 7 an die Oberfläche des Meßquarzes gelangt. Die Serienresonanzfrequenz des Meßquarzes stellt sich entsprechend auf einen Wert ein, der abhängig von dem Viskositätswert der Kühlflüssigkeit und damit der Konzentration des Frostschutzmittels ist. Die erwartete Änderung der Resonanzfrequenz des Meßquarzes in Abhängigkeit der Viskosität der Mischung ist in Fig. 6 für 20° und 40°C gezeigt, wobei als Referenzflüssigkeit Wasser mit 30 Vol.-% Frostschutzmittel verwendet wurde.

In Fig. 7 ist die Spannung nach dem U/F-Wandler (3 Hz = 1nV) bei unterschiedlichen Frostschutzmittelkonzentrationen für Temperaturen der Kühlflüssigkeit von 40°C und 80°C dargestellt. Man sieht, daß die Steigung der Kurven ausreichend ist, so daß sehr genaue Meßwerte erzielbar sind.

In Fig. 4 ist ein modifizierter Sensor 1′ dargestellt, der für einen festen Einbau des Meßkopfes 2 z. B. in den Kühlkreislauf einer Heiz- bzw. Kühlanlage geeignet ist. Der Meßkopf 2 ist hierbei in den hohlen Innenraum 30 einer Zelle 31 eingeschraubt, die an den Seitenwänden und am Boden flüssigkeitsdicht ausgebildet ist, und an ihrer Oberseite mit einem Filter 32, z. B. einem feinmaschigen Gitter abgeschlossen ist, der zwar die zu messende Flüssigkeit, jedoch nicht etwaige Schmutzpartikel in dieser Flüssigkeit hindurchläßt. Auf diese Weise wird eine Verschmutzung des Meßkopfes und damit auch ein Meßfehler vermieden.

In Fig. 5 ist die Beschaltung für einen der Quarze, in diesem Fall den Meßquarz dargestellt. Die Beschaltung für den Referenzquarz ist ebenso aufgebaut. Der Meßquarz MQ ist über einen Koppelkondensator 41 an den positiven Eingang 42 eines Breitbandvideoverstärkers 43 angeschlossen, der an seinen Anschlußklemmen an Versorgungsspannungen U1 von +5 Volt und U2 von -5 Volt liegt. Der Operationsverstärker 43 hat einen sehr hohen Verstärkungsfaktor von z. B. 400 und mehr. Zwischen dem positiven Eingang 42 und dem negativen Eingang 44 ist noch ein Anpaßwiderstand 45 vorgesehen. Von dem positiven Ausgang 46 des Breitbandvideoverstärkers 43 führt ein Widerstand 47 zu der Basis eines Auskoppeltransistors 48, an dessen Emitter über eine Auskoppelschaltung 49 das Ausgangssignal O abgenommen wird. Das in invertierte Ausgangssignal an einem negativen Ausgang 50 des Verstärkers 43 wird über einen Rückkopplungswiderstand 51 auf den negativen Eingang 44 des Verstärkers 43 rückgekoppelt. An den Widerstand 51 ist noch eine Parallelschaltung aus zwei antiparallel geschalteten Dioden an Masse geschaltet, wodurch eine Amplitudenbegrenzung möglich ist. Anstelle der Dioden kann ein entsprechend dimensionierter Widerstand vorgesehen werden.

Die beschriebene Schaltung ist äußerst unempfindlich gegen Störungen und liefert gut reproduzierbare Meßergebnisse. Durch Ändern des Anpaßwiderstandes kann der Arbeitspunkt der Resonanzschaltung verändert werden. So liegt z. B. die Serienresonanz etwa bei dem ersten Nulldurchgang des Phasenganges der Admittanz; vgl. Fig. 8. Aus dieser Figur sieht man, daß für den Meßquarz in Luft ein eindeutiger Nulldurchgang vorhanden ist, für Wasser gerade noch ein Nulldurchgang vorliegt, jedoch nicht mehr für Kühlflüssigkeiten mit 50% oder 30% Frostschutzmittel. Bei einer herkömmlichen Rückkopplung mit einer 0°- bzw. 360°- Phase würde die Resonanzschaltung dort nicht mehr schwingen. Durch entsprechendes Einstellen des Anpaßwiderstandes kann jedoch ein Arbeitspunkt bei einer Phase von in diesem Falle z. B. 75° gewählt werden, bei dem die Schaltung trotz der durch die Viskosität der Kühlflüssigkeit bedingten Dämpfung schwingt.

Bei den obigen Ausführungsbeispielen waren Meß- und Referenzquarz getrennte Einheiten. Es ist selbstverständlich möglich, die Meß- und Referenzelektroden auf einem Schwingquarz, dort an unterschiedlichen Orten, anzubringen. Ebenso wäre mit der Resonanzschaltung auch ein Messen bei der Phase Null möglich.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Bestimmen der Konzentration einer Mischung aus zumindest zwei Flüssigkeiten, mit einem Meß­ quarz (MQ), der von den Flüssigkeiten benetzbar und zu Dickenschwingungen anregbar ist und dessen Resonanzfre­ quenz sich in Abhängigkeit von den Flüssigkeitseigenschaf­ ten ändert,
mit einem Referenzquarz (RQ), der sich in einem Referenz­ medium befindet, wobei Meßquarz und Referenzquarz jeweils das frequenzbestimmende Element in je einer selbst erreg­ ten Resonatorschaltung (O1, O2, Fig. 5) sind und die Resonatorschaltungen für die Quarze so ausgelegt sind, daß der zugehörige Quarz jeweils knapp unterhalb ,einer Serienresonanzfrequenz schwingt,
mit einem Meßkopf (2), welcher eine zu den Flüssigkeiten offene Meßkammer (5) aufweist, in welcher der Meßquarz angeordnet ist,
mit einer gegen die Meßkammer flüssigkeitsdichten, dieser unmittelbar benachbarten, abgeschlossenen, das Referenzme­ dium enthaltenden Referenzkammer (6), in welcher der Referenz­ quarz angeordnet ist, wobei Meßquarz und Referenzquarz je­ weils zumindest einen Teil eines ebenen Bodens der Meßkam­ mer bzw. Referenzkammer bilden und die Referenzkammer so ausgebildet ist, daß eine Volumenänderung der Referenz­ flüssigkeit zugelassen wird, und mit einer Auswerteschal­ tung (A) für die Ausgangssignale der Schwingquarze, die ein der zu messenden Größe entsprechendes Ausgangssignal lie­ fert

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (2) ein Gehäuse (4) mit an gegenüberliegenden Stirnseiten gelegenen Öffnungen (7, 13) aufweist, daß im Innenraum des Gehäuses durch einen parallel zu den Stirnseiten angeordneten Distanzring (8) getrennt jeweils die Quarze (MQ, RQ) gelegen sind, daß die Öffnung (13) der Referenzkammer durch eine den Volumenänderungen der in der Referenzkammer enthaltenen Referenzflüssigkeit folgende Wand (14), insbesondere eine elastische Wand abgeschlossen ist, und daß der Raum zwischen der vorderen freien Öffnung (7) und dem Meßquarz (RQ) und der gegenüberliegenden verschlossenen Öffnung des Gehäuses als Referenzkammer (7) dient.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Volumenänderungen folgende Wand (14) der Referenzkammer (6) durch einen Gehäusedeckel (15) abgedeckt ist, der eine der Referenzkammer (6) zugewandte, etwa dem Querschnitt der dortigen Öffnung (13) des Gehäuses aufweisenden Hohlraum (16) aufweist, der mit der Außenumgebung über eine Öffnung (17) in Verbindung steht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in das Gehäuse ein Schaft (3) einsetzbar ist, der als Halterung für den Meßkopf dient.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (3) ein Handgriff ist, in dem die Auswerteschaltung (A) und eine Anzeige (D) untergebracht sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die freie Öffnung (7) der Meßkammer (5) mit einem Filter (32) abgedeckt ist, der in der zu messenden Flüssigkeit vorhandene Partikel von dem Meßquarz (MQ) fernhält.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (2) in einer Zelle (31) und die Auswerteschaltung außerhalb der Zelle angeordnet ist, und daß ein Bereich der ansonsten flüssigkeitsdichten Zelle mit einem Filter (32) versehen ist, der in der zu messenden Flüssigkeit vorhandene Partikel von dem Meßkopf (2) fernhält.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatorschaltungen (Fig. 5) jeweils einen Operationsverstärker (43) mit einem positiven und einem negativen Eingang (42, 44) sowie einem positiven und einem invertierten Ausgang (46, 50) aufweisen, an dessen positivem Eingang (42) der jeweilige Quarz (MQ, RQ) über einen Koppelkondensator angeschlossen ist und der mit einer Rückkopplung zwischen dem invertierten Ausgang (50) und dem negativen Eingang (44) versehen ist, und daß zwischen dem positiven und dem negativen Eingang (44) ein Anpaßwiderstand (45) vorgesehen ist, um den Eingangswiderstand für den Operationsverstärker auf den in Flüssigkeiten hohen Widerstandswert des jeweiligen Quarzes anzupassen.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Serienresonanzfrequenzen von Meßquarz (MQ) und Referenzquarz (RQ) im Megahertz- Bereich liegen und die Serienresonanzfrequenz des Referenzquarzes (RQ) von derjenigen des Meßquarzes im Kilohertz-Bereich abweicht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Serienresonanzfrequenz des Referenzquarzes (RQ) ca. 20 Kilohertz höher liegt als diejenige des Meßquarzes (MQ).

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßkopf (2) ein Temperaturfühler (T) vorgesehen ist, der zur Kompensation von Temperatureinflüssen mit einer Kompensationsschaltung in der Auswerteschaltung (A) verbunden ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Meß- und Referenzquarz (MQ, RQ) auf einem gemeinsamen Quarzplättchen ausgebildet sind.