JP4976390B2 - 導電性液体の流量容量を決定する測定装置及び導電率測定装置と測定素子及び方法 - Google Patents

導電性液体の流量容量を決定する測定装置及び導電率測定装置と測定素子及び方法 Download PDF

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Description

本発明は、液体レベルが垂直方向(z方向)に変化する容器の中を流れる導電率LFを有する導電性液体の流量dV(z)を決定する測定装置であって、
底壁、液体入口、及び、液体出口を有する容器と、
電圧源、評価装置、及び、容器内に配置され、評価装置に接続され、z方向に延び、z方向と垂直方向に間隔を空けて配置された少なくとも2個の電極を有し、Zmaxが(z=0における)電極の第1の端部(下端部)から電極の第2の端部(上端部)までの距離を表す、少なくとも1個の測定素子から構成される導電率測定装置と、
から構成される測定装置に関連する。
本発明は、請求項5の前提部に記載された導電率測定装置、液体レベルに依存する導電性液体からの測定値を決定する少なくとも1個の細長い電極を有する測定素子、及び、請求項40の前提部に記載された総流量dVを決定する方法にも関係する。
一般に、液体体積又は液体体積の変化を決定しようとする状況では液体レベルを測定することが求められている。液体レベルを測定する従来の手段は、液体中に部分的に浸漬された電極を備える。適切な測定システムが、測定値が(特に)液体レベル(又は液体体積)に比例する、液体の抵抗及び/又は導電率を測定するために利用される。
これに関連して、物理的関係LF=δ・ZK・Vが利用され、式中、LFは液体の導電率であり、δは液体の比導電率であり、Vは液体の体積であり、ZKは、電極間距離と浸水電極表面積との比から計算され得るいわゆる「セル定数」である。
比導電率δは測定曲線(液体レベルの関数としての測定値)の勾配に影響を与え、よって、液体レベルの測定前に、この比導電率を決定するために較正測定を実行する必要がある。このような較正は、回避するか、又は、最小限に抑えることが期待される余分な資源の支出を必要とする。
DE19726044A1は、少なくとも2個の相互に絶縁された電極を伴う細長いロッドと、上記ロッドに配置された接続線を介して電極に接続された電子回路とから構成され、電子回路を用いてインジケータが直流電圧源によって給電される、特に、プラント容器のための液体レベルインジケータを開示する。液体レベルはディスプレイ装置上に示される。この液体レベルインジケータシステムは、異なる深度(水位)に配置されている複数個の電極を必要とする。各電極は別個の接続線によって電子回路に接続されている。このシステムは実現するために非常に費用がかかる。
DE4042257は、導電性液体の液体レベルを決定する方法及び装置を開示する。これは、たとえば、液体の中へ垂直方向に延在する抵抗のチェーン(一連の抵抗)によって実現される。システムの全抵抗の測定値から、液体レベルより上に配置されている抵抗の個数と、液体レベルの高度(「深度」)とを決定することが可能であり、このことは、金属表面が、接近し、かつ、一定に互いに隔離されて表面に沿って塗布されていることによって実現しやすくなる。このシステムは非常に高価であり、液体レベルの離散値だけを生じる。
DE3018718は、サポートに配置され、サポートの縦方向に連続的に移動可能である複数個の液体レベル決定電極を利用し、液体レベルを決定する電極装置を開示する。
JP08050047Aは、複数個の電極を有し、液体レベルを決定するために液体の電気抵抗を測定する電極装置を開示する。電極の下部領域は小さな直径を有し、上部領域は大きな直径を有する。
JP2004077439Aは、円錐形状又は半球形状を有し、液体レベルを決定する測定電極を開示する。
液体レベル測定は、フィルターカートリッジ内のフィルター媒体が消耗した(交換の期限になった)ときの決定を支援するため、水フィルター装置においても行われる。このような消耗標示装置は、たとえば、EP1484097A1に開示されている。この装置は、水容器内で一方が他方の上に配置されているか、又は、引込管路に配置されている2個の電極を使用した液体の抵抗の測定に基づいている。この装置の欠点は、水量が変化するたびに、付加的な較正測定を行わなければならないことである。
別の消耗標示装置はWO01/74719に開示され、この装置は液体の中へ延在する複数個の電極を利用する。水フィルター装置の中又は上に、ディスプレイユニット、すなわち、いわゆる「消耗標示装置」に接続され、指定された時間間隔に亘って測定された充填体積を決定する評価ユニットが配置されている。このような水フィルター装置では、原水が給水漏斗に導入され、次に、フィルターカートリッジの中を下向きに通過し、カートリッジの下側でカートリッジから脱出し、濾過水が装置の下方チャンバに収集される。原水が時々供給され、下へ引き込まれるのに伴って、液体レベルは、カートリッジの耐用期間の間に何回も変化し、液体レベルの履歴はフィルターカートリッジを通過した液体量を決定することを可能にさせる。このようにして、通過した液体量に関するデータが供給されると、消耗標示装置は、その後に、フィルター媒体の消耗の程度に関する情報を提示することが可能である。
発明の概要
したがって、簡単な構造を有し、液体の比導電率に関する較正測定を必要としない測定装置を案出することが本発明の基礎となる課題である。本発明の基礎となるさらなる課題は、簡単な構造を有し、容易に取り扱うことができる測定素子、導電率測定装置、及び、測定方法を案出することである。
この課題は、時間間隔t−ti−1(但し、i=1...n)において、導電率測定装置が測定値Mti(v)=M(V(z))〜LF・f(V(z))を生じることを特徴とし、
が零又は1に等しくない数であり、
(V(z))〜f((V(z) 但し、l=1...m)〜b V(z)
が当てはまるように、少なくとも容器(5)及び/又は導電率測定装置がV(z)に依存する少なくとも1個のパラメータ関数
(V(z))(但し、l=1...m)
によって記述可能であるように構成されていることを特徴とし、
評価装置が少なくとも測定値の商を生じ、商の対数を取得できるように構成されていることをさらに特徴とする、
測定装置によって解決される。
z方向は液体容器内の液体レベルと垂直になるように選ばれる。指数は正又は負の符号を取り得る。
上記課題は、時間間隔t−ti−1(但し、i=1...n)において、導電率測定装置が測定値Mti(v)=M(V(z))〜LF・f(V(z))を生じることを特徴とし、
が零又は1に等しくない数であり、
(V(z))〜f((V(z) (但し、l=1...m))〜b V(z)
が当てはまるように、導電率測定装置がV(z)に依存する少なくとも1個のパラメータ関数
(V(z))(但し、l=1...m)
によって記述可能であるように構成されていることを特徴とし、
評価装置が少なくとも測定値の商を生じ、商の対数を取得できるように構成されていることをさらに特徴とする、
導電率測定装置によっても解決される。
本発明は、測定値Mti(V(z))と容器内の液体体積V(Z)との間に指数関係が存在するように測定装置が設計されているならば、容器の中を通る導電性液体の流量を決定するために、実際には液体の導電率又は液体レベルの絶対高度が分からなくても構わないという事実に起因している。
種々の構成が上記課題に対する満足できる解決策として役立ち、この点に関して、それによって、一般に種々の構成は適切なパラメータ関数の使用を可能にするということが分かった。
パラメータ関数(ここで、lは連続している添字であり、たとえば、などを生じる)は、V(z)、したがって、zに関数依存性を有する構成(構造)パラメータであると理解される。考えられるこのようなパラメータPの例は、容器形状、電極形状、電極間距離、電極材料の特性のようなz依存量である。電極間距離を備える変数は、2個の電極の全体的な分離、又は、電界線に関して効果的な分離である。後者の場合、2個の電極は互いに接近して配置され、遮断構造体が2個の電極間に配置されることもあり、この構造体は電界線の経路長を変化させる。
特定の実施形態によれば、少なくとも1個の素子が2個の電極間に配置され、素子は2個の電極間に形成される電界線の経路長を変更する。この経路変更素子は、2個の電極を担持するサポート部材のコンポーネントでもよく、サポート部材上に配置された付加的な素子でもよい。経路変更素子は、電界線の経路長がzの増加と共に指数的に変化するように構成(たとえば、成形)されていることが重要である。
好ましくは、経路変更素子は、電界線の経路長がzの増加と共に減少するように構成されている。
好ましい実施形態によれば、経路変更素子は湾曲した自由前方縁部を有するプレートである。
2個の電極はサポート部材上に並行して配置され、経路変更プレートは2個の電極間に配置されてもよい。
別の実施形態によれば、電極はサポート部材の両側に配置され、各電極は各電極の側方に各電極と接近して配置された1つずつの経路変更プレートを有し、経路変更プレートが電極間の電界線の経路長を変更する。
好ましくは、経路変更プレートはサポート部材と垂直に配置される。この遮断プレートの特定の構成は、サポート部材の構成、及び、サポート部材上の電極の配置に依存する。この点について、したがって、好ましくは、電極がサポート部材上で向かい合って配置されている場合、プレートはサポート部材と並行に配置されている。
技術水準に関係して、パラメータPの全部が線形依存性を有するならば、たとえば、容器が円筒型であり、電極間距離が一定であるように選ばれ、電極の面積が一定であり、電極材料が全高(全長)に亘って一様であるように選ばれるならば、流量を決定するために、液体の導電率の値を知り、絶対液体レベルを知ることが必要である。
少なくとも1個のパラメータ関数が指数依存性を有するならば、液体の導電率又は絶対液体レベルを知ることはもはや必要とされないということが分かった。
一般的な形式で、たとえば、以下に示されているように、4個のパラメータ関数に関して、関係を説明する行列を構築する。ここで、「任意」は、別のパラメータ関数の指数関係を破壊しない関数関係を意味することが理解され、特に、対数関数はこのような「任意」関数として除外されている。
Figure 0004976390
2個以上のパラメータ関数が指数依存性又は部分的な指数依存性を有することが可能である。この関係に適用される制約は、M(V(z))がV(z)及びzに指数的に依存することを保証しなければならないことである。
指数関係の利点は、保持されている液体の体積が所与の量だけ増加したとき、測定値Mti(V(z))〜b V(z)が同じ倍率で変化し、液体の所与の導電率、及び、体積変化を定義する2つの液体レベル(両者間で体積変化が発生した2つの液体レベル)は結果に影響を与えないという結果を伴うということにある。
したがって、特定の実施形態によれば、少なくとも1個のパラメータ関数に対し、
(V(z))〜 V(z)
が当てはまることが規定されている。
基底値は、液体体積の小さな変化であっても測定値に重大な変化を生じさせるように選ばれるべきである。の選択はzの測定の単位に依存する。本明細書中で、zへのあらゆる参照は、明示的に記載されていないとしても、センチメートル(cm)の単位を前提とする。同様に、あらゆる面積はcmで規定され、あらゆる体積はcmで規定されることが前提とされている。
0<≦5、特に、1<≦1.5の範囲内で≠1となるを選ぶことが好ましい。
好ましい実施形態によれば、パラメータPは少なくとも1個の電極の面積である。A(V(z))は液体で湿った導電性電極表面の面積であり、電極表面は、電極の特有の構造的な構成に応じて、体積の増減と共に変化する。面積Aについて、
A(V(z))=(V(z))〜 V(z)
が当てはまる。この例では、たとえば、容器の形状を記述するような他のパラメータ関数は線形依存性を有する。よって、液体容器は円筒型、立方体、又は、長方形プリズム形状を有することがあってもよい。
別の実施形態によれば、パラメータPは、液体体積(充填体積)を決定する容器形状Fであり、このFについて、
F(V(z))=(V(z))〜b V(z)
が当てはまる。好ましくは、F(V(z))は、
Figure 0004976390
によって断面Q(z)の関数に帰着する。
たとえば、比較的小さな断面積を有する液体容器では、体積の小さな変化は液体レベルのかなりの変化を引き起こすので、bは、小さな値、たとえば、2.5より下の範囲内で選ばれてもよい。
比較的大きな断面積を有する液体容器では、関係は相応して異なっている。対応する体積の変化の場合に、適当な測定精度を達成するために、bは、高い値、たとえば、2.5より上の範囲内で選ばれるべきである。
関数F(V(z))が指数であるならば、たとえば、電極表面積はzに関して線形的に変化し、よって、たとえば、電極はz方向の広がり全体に亘って一定の幅を有してもよい。
さらに別の実施形態によれば、パラメータPは電極間距離Dでもよく、電極間距離Dに対し、
D(V(z))=(V(z))〜b −V(z)
が当てはまる。
この場合、液体体積(充填体積)を決定するパラメータに関係するパラメータ関数、たとえば、容器形状F(V(z))及び/又は電極の表面積A(V(z))及び/又はその他のパラメータ関数は、たとえば、線形形式を有してもよい。
指数関係は、電極の材料によって与えられることもあり、材料の特性のために、このような電極材料の導電率はzに関して指数的に変化する。
好ましくは、測定素子はサポートプレートを有し、2個の電極がサポートプレートの両側に配置されている。電極は測定素子の製造中に事前に位置合わせされ、測定素子の液体容器への取り付けを容易化する。測定セルの所定のパラメータ値を取得するために2個の電極を調整することは不要である。
好ましくは、測定素子は電極の第2の端部(幅の広い端部)が上端部になるように液体容器に配置されている。これは、液体体積(充填体積)が増加するときに、測定値の上昇曲線を提供する。
特定の実施形態によれば、測定素子は液体容器の壁と一体化されていてもよい。この場合、2個の電極が液体容器の壁の上/中で離れた場所に配置されているならば、又は、電極が向かい合った位置に配置されているならば好ましい。
別の特定の実施形態によれば、液体容器は水フィルター装置の給水漏斗である。原則として、このような給水漏斗を用いて、液体は上方から取り入れられる。液体出口開口部は、フィルター素子、たとえば、フィルターカートリッジが配置されている給水漏斗の底壁に配置されている。流量は、フィルターカートリッジが交換の期限になっている時点を決定するために、したがって、フィルターカートリッジが用いられた体積的「負荷」を測定するために、測定装置の特化された利用中に決定される。
評価装置はディスプレイユニットに接続されることがある。測定装置をフィルターカートリッジ上の体積的負荷を測定する装置として使用する場合、このディスプレイユニットは、カートリッジを交換すべき時期であることをユーザへ指示するインジケータである。
好ましくは、少なくとも電圧源、評価装置、及び、少なくとも1個の測定素子がモジュール又は部分組立品に一体化されている。別の実施形態によれば、ディスプレイユニットが上記モジュールに一体化されることもある。外部電圧源の場合、好ましくは、評価装置及び少なくとも1個の測定素子はモジュールに一体化されている。これらの実施形態は、流量測定が実行されるべき容器内に装置が統一されて取り付けられているので、装置の容易な操作及び取り扱いと、迅速な交換を可能にさせる。
液体レベルに依存する導電性液体の測定値を決定する本発明の測定素子は、少なくとも1個の細長い電極を備え、電極の面積Aが電極の第1の端部から第2の端部までの距離zの増加と共に指数的に増加するように構成されている。B(z)がzの関数として電極の幅を表しているとする。そのとき、
A(V(z))〜bA1 V(Z) かつ
Figure 0004976390
である。したがって、B(z)は指数関数:
A(V(z))〜A(z)≒B(z)〜
である。
好ましくは、0<≦5、かつ、≠1であり、特に、好ましくは、1<≦1.5である。これらの範囲は、zがcm単位の寸法である場合に当てはまる。zがその他の単位で表される場合、基底は、単位に応じて変更される必要がある。
好ましくは、電極の広がりは連続的である。しかし、代替的な実施形態によれば、電極の幅はステップ状に変化してもよく、ステップの包絡線は上述の指数依存性を有する。この実施形態は測定曲線に対応したステップをもたらし、測定素子に接続されている評価装置は、絶対液体レベルの決定値を提供するために、適切に構成され得る。
好ましくは、電極の第1の端部の幅Bは0.1ないし20mmの範囲に入り、電極の第2の端部の幅Bは5ないし30mmの範囲に入る。
電極の第1の端部には、電極の軸と垂直に延在する棒状に拡幅された領域が設けられている。この棒状に拡幅された領域は明確な初期測定値を提供するために役立つ。
接点素子が電極の一方の端部に設けられている。好ましくは、接点素子は電極の上端部に取り付けられているので、液体と接触しない。
電極は、金属、金属合金、導電性プラスチック、又は、別の導電性材料から構成されることがある。
1もしくは複数電極の取り扱いを容易にするために、少なくとも1個の電極は、サポート部材上に配置されている。
測定素子は、液体容器の壁に一体化されていてもよい。この場合、液体容器の壁はサポート部材を形成する。
サポート部材が独立したコンポーネントであるならば、好ましくは、サポート部材はプレートの形であり、電極はプレートの2つの反対側の側面の1つずつに取り付けられている。2個の電極間の電界は、このとき、サポート部材の周りに広がる。
好ましくは、2個の電極は同様に構成されている。
好ましくは、サポートプレートは、高安定性の利点があるダブルT型断面(Iビーム型断面)を有するので、測定素子の機械的応力の印加の場合に電極の破損への耐性を有する。
好ましくは、サポートプレートは、電極の第1の端部の近くに配置された2個の脚部を有し、これらの脚部は液体容器の底に対して画定した距離を設けるために役立つ。その結果として、測定素子の下に広がる初期電界が確立される。容器内の液体レベルが低いとき、上記初期電界は依然として液体のカラムの内側にある。
有利的には、両方の電極及びサポートプレートはプラスチック材料から構成され、導電性プラスチックが電極のため選択され、非導電性プラスチックがサポートプレートのため選択されている。
したがって、測定素子は、2コンポーネントの射出成形部品として経済的に製造される。
容器及び導電率を測定する装置を利用して、液体レベルが垂直方向(z方向)で変化する容器の中を通る導電率LFである導電性液体の総流量を決定する方法は、
・V(z)に依存する少なくとも1つのパラメータ関数
(V(z)) (但し、l=1...m)
によって記述できるように少なくとも容器及び/又は導電率測定装置を構成する工程と、
・導電性測定装置によって生じさせられた測定値に対して、
M(V(z))〜LF・f(V(z))〜f((V(z)))〜b V(z)
であるように、少なくとも1つのパラメータ関数(V(z))を案出又は適合させる工程と、
・基底bを決定するために測定を実行する工程と、
・時間間隔t−ti−1(但し、i=1...n)における測定値Mti(V(z))を決定する工程と、
・dVを決定するために、商Mti+1/Mtiを決定し、このような商の対数を決定する工程と、
・貫流した総量dVを決定するために、n重の[このような]値dVを一緒に加算する工程と、
を具備することよって特徴付けられている。
原則として、所与の特定のシステムに対する基底bを決定するために1回の初期測定だけが行われるべきであり、所定の液体量がこの初期測定に関連して使用され、初期測定は通常の測定値の決定前に実行される。よって、bの1個の値から始めて、測定値を計算する際にこの値が使用される。bの値は、dVの値を計算する際に、商の対数を取るときに使用される。
好ましくは、測定装置が組み込まれている機器の動作中に、測定値Mtiが1−100秒の時間間隔で決定される。時間間隔の選定は、特に、使用頻度、及び、所与の機器を通る流れの速度に依存する。機器が水フィルター装置であるならば、重要な要因はユーザが必要とする濾過水の量である。好ましい時間間隔は1ないし20秒であり、特に、好ましくは、2ないし10秒である。
本発明の有利な実施形態は、添付図面を参照して以下で詳述されている。
図1は、液体容器5の内部に配置された測定素子20を備える導電率測定装置10aから構成された測定装置10の第1の実施形態を概略的に示している。前記容器5は、周壁6a及び底壁6bを有し、液体入口7aは周壁6aの上部領域に配置され、液体出口7bは周壁6aの下部領域に配置されている。入口流速及び出口流速は、時間の経過と共に変化するので、容器5内の液体41の液体表面レベル(高度)40は(両方向矢印によって表されているように)連続的に変化する。測定装置10は容器5内を流れる液体の量を測定する目的のため設けられている。
測定装置10の測定素子20は、前面及び後面のそれぞれに前側電極30a及び後側電極30bを有するサポートプレート21を有する。電極30a,30bを担持するサポートプレート21を配置する際に、容器が完全に充填されているとき、電極が完全には浸漬されず、電気接続部に液体が少しも接触しないことを保証する必要がある。最大許容液体レベルは破線42によって示されている。図1では、前側電極30aだけが見える。見えない後側電極30bは、測定素子の後側に同様に構成されている。電極(30a,30b)はそれぞれが、上方への進行に伴って、電極の下端部(第1の端部)31からの距離の指数関数で、増加する幅を有する。A(V(z))とzとの間の関数関係は、原則的に、A(V(z))〜bA1 V(z)によって与えられ、電極の指数的な広がり、すなわち、A(V(z))〜 、又は、幅に関してB(z)〜 という結果になる。z軸は図1の右部分に示され、z軸の零点は電極30a,30bの下端部31にある。底壁からそれぞれの電極30a,30bの下端部までの距離aが示されている。
評価中、この領域内の液体の体積は一定(定数)として考慮されている。
2個の電極30a,30bは通信線11を介して、ディスプレイユニット13に接続された評価装置12に接続されている。有利的には、導電率測定装置の全てのコンポーネントが、好ましくは、単一ハウジング内の、単一のモジュール(部分組立品)に配置されている(たとえば、図14の構成を参照のこと)。これは容器5の備え付けを容易化する。導電率測定装置10aを容器内に取り付けるだけでよく、このようにして、セットアップを非常に容易にする。
測定装置10は、液体41の導電率を測定するために使用され、測定及び評価は連続的に実行されてもよく、又は、不連続的に実行されてもよい。2個の電極30a,30bの間の電界線が例示され、参照符号36によって示されている。
図2は測定素子20の拡大正面図である。測定素子20は、サポートプレート21と2個の測定電極30a,30bとから構成されている。サポートプレート21(図3)は、2個のフランジ25a,25bを接続する中央ウェブ部材24から構成され、サポートプレート21のダブルT型(Iビーム型)断面をもたらしている。ウェブプレート24は下端部に凹部23を有し、T型フランジは、凹部によって下向きに引き延ばされ、脚部22a,22bを形成している。
同一の電極30a,30bがウェブ部材24の両方の側面に配置され、これらの電極は、上端部の拡幅領域まであらゆるところで対称性がある。このような電極30a,30bはそれぞれが狭い第1の電極端部31及び幅広い第2の電極端部32を有し、電極の第1の端部31は底部に配置され、電極の第2の端部32は最大許容液体レベル42の領域に配置されている。これに関連して、図1の液体容器5内に組み込まれた条件の状況が図2に示されている。
電極30aの幅Bは、距離zの増加と共に、第1の電極端部31から第2の電極端部まで連続的に増大する。電極の第1の(下)端部31から、電極の第2の(上)端部32までの距離はZmaxと呼ばれる。幅Bに対し、比例関係: B(z)〜 が当てはまる。
第1の電極端部31において、電極30aは、電極の長軸に対して垂直に延び、初期測定値の大きさを画定するために役立つ棒状拡幅領域35を有する。電極30bの場合も同様である。
第2の電極端部32は隣接している接点素子33を有し、接点素子は、たとえば、グラファイト入りのシリコーンから構成される接続金具(接点ピル)を担持する。接点素子33は、接点ピル34のサイズに調整され、電極固有の側面を越えて側方へ突出している。接点ピル34は、評価装置12につながる電気接続線11のための接続素子としての役目を果たす(図1)。
図3は、図2に示された測定素子20の線III−IIIに沿った断面図である。電極30a,30bは、ウェブ部材24の両側に1つずつ配置されていることがわかる。
図4は、図2に示された測定素子20の線IV−IVに沿った垂直断面図である。サポートプレート21は、非導電性プラスチック材料から構成され、一方、電極30a,30bは導電性材料から構成されている。これは測定素子20が2コンポーネントの射出成形部品として製造されることを可能にする。
図5aは、直線的な境界線、及び、指数関数を描いている湾曲した境界線を有する各電極30a,30bが非対称である(反対側にある30bは図示されていない)という点で図2による測定素子と相違している、測定素子20の異なる実施形態を例示している。
図5bは、電極30aがステップ状構成を有する変形を例示している。個々のステップ38の包絡曲線37は、図5aにおける電極30aの右側境界線に対応し、同様に指数関数を描いている。
図6は、電極30a,30bが液体容器5の対向壁素子上に配置されている点、及び、液体入口7aが周壁ではなく上壁に配置されている点で図1による実施形態とは相違する測定装置10の第2の実施形態を表している。本実施形態では、上記実施形態におけるサポートプレート21の機能は周壁6aによって行われている。最大許容液体レベル42は、(接続部が設けられている)電極の接点素子33に液体が接触しないように選ばれている。
図7は測定装置10の別の(第3の)実施形態を例示している。関数F(V(z))が直線を描く図1による液体容器の長方形形状とは違って、図7による容器5は上向きに進むに連れて狭くなる。側壁6aは湾曲し、指数関数を描くので、液体容器5の境界(断面)を描く関数F(z)は同様に指数関数である。以下の比例関係:F(V(z))〜F(z)〜b −Zが当てはまる。この場合、測定素子20は、z方向への進行に伴って一定の幅を有する電極30a,30bを有してもよい。
図8は、ハンドル3及びカバー4付きの水差し型容器2と、容器2内に配置された給水漏斗5aとを有する水フィルター機器1の垂直断面図である。フィルターカートリッジ50は給水漏斗5aの出口7bに配置されている。原水8は、カバー4の持ち上げ後、又は、カバー4の入口開口部7aを通して、給水漏斗5aに取り込まれ、水は給水漏斗からフィルターカートリッジ50を介して容器2の中へ流れ、容器では濾過水9が底に集まる。
導電率測定装置10aは給水漏斗5aに配置され、装置10aは電気線11を介して評価装置12に接続されている測定素子20を有する。評価装置12は固有の電流源を収容している。評価装置12は、カバー4に配置され、周囲から見ることができるディスプレイユニット13を支えている。導電率測定装置10aは図14に示されているようにモジュール又は部分組立品の形でもよい。このモジュールは、たとえば、カバー又は容器に組み込まれている。
原水8が取り込まれるとき、液体レベル40は上昇する。濾過中に、液体レベル40は下降する。
充填の程度の差から、フィルターカートリッジ50を貫流した液体の体積を決定することが可能である。この体積は、フィルターカートリッジ50を交換するときを決定するためのパラメータである。
液体レベル40の変化は、測定素子20によって決定される。測定値から、評価装置12は、給水漏斗5aの寸法に基づいて、対応する体積を計算する。所与のフィルターカートリッジ50に対する所定の体積を超えたとき、この事実は、ディスプレイ13によってユーザへ知らされる。かくして、本実施形態では、測定装置10はフィルターカートリッジ50上の体積的負荷を測定する手段として利用されている。
図9は、電極30a,30bの配置の原理を説明している。dVは、液体レベル40が変化したときの液体の体積の変化である。上述の測定装置10は異なる導電率を有する3つの液体の導電率測定を行うために利用された。この結果が図10に示されている。
測定値Mtiは所定の時間間隔:Δt=t−ti−1で獲得される。次式:
Figure 0004976390
が適用され、したがって、2個の連続した測定値に対して:
Figure 0004976390
が適用され、2個の測定値の比に対して:
Figure 0004976390
が適用され、式中:
は、V、すなわち、時点tにおける測定値であり、
は、V、すなわち、時点tにおける測定値であり、
は、体積変化前の絶対体積であり、
は、体積変化後の絶対体積であり、
dV=V−V(差分体積)であり、
K=比例定数であり、特に、LFに依存する。Kに影響を与えるその他のパラメータは、セル定数、体積定数、及び、測定増幅器の比例定数であり、
=指数関数の基数であり、基数は、導電率測定セルの幾何学的性質及び容器の寸法(体積変化に関連した測定値変化)によって決定される。
対数を適用することにより、
Figure 0004976390
が得られる。
式から分かることは、定数Kが相殺されていることである。測定機器及び構成毎に、基数bは決定されなければならないが、1回の較正だけが必要とされ、その後直ぐに、基数は測定プロセス中に定数として作用する。その他の量を知ることにより、差分体積を容易に決定することが可能である。
図10による例に関して、測定値M=20及びM=10と、基数b=2.5937の場合、(体積の単位がリットル、zの単位がセンチメートルとして)以下の計算結果が生じる。
(A)低導電率:K=1.8181;M=20;V=2.516;M=10;V=1.789;dV=0.727
(B)中間導電率:K=3.6363;M=20;V=1.789;M=10;V=1.061;dV=0.727
(C)高導電率:K=7.7272;M=20;V=1.061;M=10;V=0.334;dV=0.727
同じ体積変化が、Kとは独立に、したがって、液体の導電率(LF)とは独立に、それぞれの場合で測定された。
指数測定原理は差分体積の決定に非常に適している。利点は、たとえば、液体の絶対導電率のような要因が測定量の決定に影響を与えないこと、及び、1個の差分体積のために2回の測定しか必要とされないことである。
図11a及び11bは、さらに別の実施形態による測定素子20の2つの側面図を示している。2個のストリップ状電極30a,30bは一定の幅を有し、サポートプレート21上に並行して取り付けられている。非導電性材料から構成されるプレート26の形をした遮断構造体が2個の電極30a,30bの間に配置されている。このプレート26は、zの値の増加に伴って電界線36の経路長を減少させる。この遮断構造体は、相互に隔離された電極間の差の対応した変動と同じ効果を引き起こす。プレート26は、zの増加と共に減少する幅B(z)を有し、そのために、2個の電極30a,30bまでの電界線の経路長は上向きに進むに連れて減少する。サポートプレート21上の2個の電極間の物理的距離が小さいという事実にもかかわらず、遮断プレート26は、(電界線の経路長の指標として)2個の電極(30a,30b)の間に、垂直上向きに進むに連れて指数的に減少する実効距離Dを提供する。
とV(z)との間のこの関数関係は、B(V(z))〜 −V(z) −zであり、プレート26の指数曲線状の前方縁部27を記述している。
図12aないし12cにおいて、本実施形態の変形例が示され、図12bは図12aの線A−Aによる断面図である。2個の電極30a,30bはサポートプレート21の反対側の面上に配置されている。zの値が増加させられるときに電界線36のより短い経路長を提供するために、遮断プレート26a,26b;26c,26dが各電極30a;30bの両側に設けられている。電界線に関連した2個の電極30a,30b間の距離の間の関数関係は、図11a及び11bに関連して説明された関数関係と類似している。
図13は、2個の電極30a,30bがサポートプレート21の反対側の側面に配置されているさらに別の実施形態を示している。zが増加するときに電界線36の経路長の減少を生じさせるように使用される2枚の遮断プレート26a,26bは、サポート部材21の平面内に配置され、実際にはサポートプレート21のコンポーネントでもよい。
図14は、評価装置12及びディスプレイユニット13が電流源と共に部分組立部品に組み込まれている、図11aによる測定素子の実施形態を示している。部分組立品は容器に挿入され、取り付けられてもよい。
測定装置の第1の実施形態の概略図である。 第1の実施形態による測定素子の正面図である。 図2に示された測定素子の線III−IIIによる水平断面図である。 図2に示された測定素子の線IV−IVによる垂直断面図である。 さらなる実施形態による測定素子の正面図である。 さらなる実施形態による測定素子の正面図である。 一体化された電極を有する液体容器の図である。 第2の実施形態による測定装置の概略図である。 測定装置を有する水フィルター機器の垂直断面図である。 測定原理の概略図である。 異なる導電率を有する3つの液体について、体積の関数としての測定値のプロットの例を表す図である。 さらに別の実施形態による測定素子の側面図である。 さらに別の実施形態による測定素子の側面図である。 さらに別の実施形態による測定素子の側面図である。 さらに別の実施形態による測定素子の側面図である。 さらに別の実施形態による測定素子の平面図である。 さらなる実施形態による測定素子の側面図である。 一体構造部分組立品の形式の導電率測定装置の図である。
符号の説明
1 水フィルター装置
2 水差し型容器
3 ハンドル
4 カバー
5 液体容器
5a 給水漏斗
6a 周壁
6b 底壁
7a 入口
7b 出口
8 原水
9 濾過水
10 測定装置
10a 導電率測定装置
11 電気接続線
12 評価装置
13 ディスプレイユニット
20 測定素子
21 サポートプレート
22a,22b 脚部
23 凹部
24 中央ウェブ部材プレート
25a,25b フランジ
26 プレート
26a,26b プレート
27 前方縁部
30a,30b 測定電極
31 第1の電極端部
32 第2の電極端部
33 接点素子
34 接続金具(「接点ピル」)
35 棒状拡幅領域
36 電界線
37 包絡曲線
38 ステップ
40 液体表面
41 液体
42 液体レベルの最大高度
50 フィルターカートリッジ

Claims (25)

  1. 液体レベルが垂直方向(z方向)で変化する容器(5)の中を流れる導電率LFを
    有する導電性液体の流量dV(z)を決定する測定装置(10)であって、
    底壁(6b)、液体入口(7a)、及び、液体出口(7b)を有する前記容器(5)と、
    導電率測定装置(10a)とを具備し、この導電率測定装置は、
    電圧源と、
    評価装置(12)と、
    少なくとも1個の測定素子(20)とを具備し、前記測定素子は、
    前記容器(5)内に配置され、前記評価装置(12)に接続され、少なくとも2個の電極(30a,30b)を有し、
    これら電極は、上方へとz方向に延び、前記z方向と垂直方向に互いに離間して配置され、Zmaxが(z=0における)前記各電極の第1の端部(下端部)(31)から前記各電極の第2の端部(上端部)(32)までの距離を表わす、測定装置において、
    時間間隔t−ti−1(但し、i=1...n)において、前記導電率測定装置(10a)が複数の測定値
    ti(v)=M(V(z))〜LF・f(V(z))
    を出力し、
    (V(z))〜f((V(z) 但し、l=1...m)〜b V(z)
    が適用されるように、少なくとも前記容器(5)及び/又は前記導電率測定装置(10a)が、V(z)に依存する少なくとも1個のパラメータ関数(V(z))(但し、l=1...m)によって記述可能であるように構成されており、ここで、bは零又は1に等しくない数であり、Vは、前記容器内の液体の体積であり、
    さらに、前記評価装置(12)は、時間の経過に基く複数の測定値の商を計算し、前記商の対数を得ることにより、前記導電性液体の流量dV(z)を決定するように構成されていること、
    を特徴とする測定装置。
  2. 前記パラメータPは、充填体積を決定するための前記容器の構造Fを表し、Fが、
    F(V(z))=(V(z))〜b V(z)
    によって表わされ、ここで、bは、前記容器に係るパラメータである、ことを特徴とする、請求項1に記載の測定装置。
  3. 前記測定素子(20)は、前記容器(5)の周壁(6a)に一体化されていること
    を特徴とする、請求項1に記載の測定装置。
  4. 記容器は(5)、水フィルター装置(1)の給水漏斗(5a)を備えることを特徴とする、請求項1に記載の測定装置。
  5. 電圧源と、
    評価装置(12)と、
    この評価装置(12)に接続され、また、上方へとz方向に延び、前記z方向と垂直方向に互いに間隔を空けて配置された少なくとも2個の電極(30a,30b)を有し、Zmaxが(z=0における)前記各電極の第1の端部(下端部)(31)から前記各電極の第2の端部(上端部)(32)までの距離を表す、少なくとも1個の測定素子(20)と、から構成され、液体レベルが垂直方向(z方向)で変化する状、導電率LFを有する況で導電性液体の流量dV(z)を決定する導電率測定装置(10a)において、
    時間間隔t−ti−1(但し、i=1...n)において、前記導電率測定装置(10a)が複数の測定値
    ti(v)=M(V(z))〜LF・f(V(z))
    を出力することと、
    さらに、bが零又は1に等しくない数であり、Vは、容器内の前記導電性液体の体積であり、LFは、導電性液体の導電率であり、
    (V(z))〜f((V(z) 但し、l=1...m)〜b V(z)
    が当てはまるように、前記導電率測定装置(10a)がV(z)に依存する少なくとも1個のパラメータ関数(V(z))(但し、l=1...m)によって記述可能であるように構成されていることと、
    前記評価装置(12)は、時間の経過に基く複数の測定値の商を計算し、前記商の対数を取得することにより、前記導電性液体の流量dV(z)を決定するように構成されていることと、
    を特徴とする測定装置。
  6. 少なくとも1つのパラメータ関数に対して、
    (V(z))〜 V(z)
    が適用され、ここで、好ましくは、0<≦5、かつ、≠1であり、また、zがセンチメートルで表わされていることを特徴とする、請求項1ないし5のいずれか1項に記載の測定装置。
  7. 少なくとも1個のパラメータPが、
    (V(z))〜 V(z)
    であり、好ましくは、1<≦1.5であり、ここで、zがセンチメートルで表わさ
    れるように選択されることを特徴とする、請求項6に記載の測定装置。
  8. 前記パラメータPは、前記少なくとも2個の電極(30a,30b)の少なくとも1個の面積Aであることと、
    前記面積Aが、
    A(V(z))=(V(z))〜 V(z)
    として表されていることと、
    を特徴とする、請求項1ないし7のいずれか1項に記載の測定装置。
  9. 前記パラメータPは、前記少なくとも2個の電極(30a,30b)の間の距離Dであることと、
    前記距離Dが、
    D(V(z))=(V(z))〜b −V(z)
    として表わされていることと、
    を特徴とする、請求項1ないし7のいずれか1項に記載の測定装置。
  10. 前記測定素子(20)は、サポート部材(21)を有することと、
    前記少なくとも2個の電極(30a,30b)が前記サポート部材(21)の両側(又は両面)に配置されていることと、
    を特徴とする、請求項1もしくは2項に記載の測定装置。
  11. 前記測定素子(20)は、前記各電極の幅の広い第2の端部(32)が上端に配置され
    るように、前記容器(5)内に配置されていることを特徴とする、請求項1ないし8
    のいずれか1項に記載の測定装置。
  12. 前記評価装置(12)は、ディスプレイユニット(13)に接続されていることを特徴
    とする、請求項1ないし11のいずれか1項に記載の測定装置。
  13. 少なくとも前記電圧源、前記評価装置(12)、及び、少なくとも1つの前記測定素子
    (20)は、単一モジュール又は部分組立品に一体化されていることを特徴とする、請求項12に記載の測定装置。
  14. 前記ディスプレイユニット(13)が前記単一モジュール又は部分組立品に一体化されていることを特徴とする、請求項13に記載の測定装置。
  15. 前記少なくとも2個の電極(30a,30b)の間に形成される電界線(36)の経路長を変更する少なくとも1個の素子が、前記少なくとも電極(30a,30b)の間に配置されていることを特徴とする、請求項1ないしのいずれか1項に記載の測定装置。
  16. 前記少なくとも1個の素子は、前記電界線(36)の前記経路長が、zの値の増加と共に指数的に減少するように、構成されていることを特徴とする、請求項15に記載の測定装置。
  17. 前記少なくとも1個の素子は、湾曲した自由前方縁部(27)を有するプレート(26,26a−d)であることを特徴とする、請求項15又は16に記載の測定装置。
  18. 前記測定素子(20)は、サポート部材(21)を有することと、
    前記少なくとも2個の電極(30a,30b)は、前記サポート部材(21)上に並んで配置されることと、
    前記プレート(26,26a−d)は、前記少なくとも2個の電極(30a,30b)の間に配置されることと、
    を特徴とする、請求項17に記載の測定装置。
  19. 前記測定素子(20)は、サポート部材(21)を有することと、
    前記少なくとも2個の電極(30a,30b)は、前記サポート部材(21)の両側(又は両面)に配置されていることと、
    前記各電極(30a,30b)は、各電極の側面に沿って、かつ、各電極の近くに配置されている前記プレート(26,26a−d)を有することと、
    を特徴とする、請求項17に記載の測定装置。
  20. 前記プレート(26,26a−d)は、前記サポート部材(21)に対して垂直に配置
    されていることを特徴とする、請求項18又は19に記載の測定装置。
  21. フィルターカートリッジのための体積負荷測定装置としての請求項1ないし20のいず
    れか1項に記載の測定装置(10)の使用。
  22. 前記測定装置(10)は、前記フィルターカートリッジを交換すべき時点を示すディス
    プレイユニット(13)を有することを特徴とする、請求項21に記載の使用。
  23. 容器及び導電率測定装置を利用して、液体レベルが垂直方向(z方向)に変化する前記容器の中を通る導電率LFである導電性液体の総流量dVを決定する方法において、
    ・V(z)に依存する少なくとも1つのパラメータ関数
    (V(z)) (但し、l=1...m)
    によって表されるように、前記容器と前記導電率測定装置との少なくとも一方を構成する工程と、
    ・前記導電率測定装置によって発生された測定値に対して、
    M(V(z))〜LF・f(V(z))〜f((V(z)))〜b V(z)であるように、前記少なくとも1つのパラメータ関数(V(z))を案出又は適合させる工程と、
    ・基底bを決定するために測定を実行する工程と、
    ・時間間隔t−ti−1(但し、i=1...n)における測定値Mti(V(z))を決定する工程と、
    ・dVを決定するために、商Mti+1/Mtiを決定し、このような商の対数を決定する工程と、
    ・貫流した総量dVを決定するために、n重の値dVを一緒に加算する工程と、
    を具備することによって特徴付けられている方法。
  24. 前記測定値Mtiは、1ないし100秒の範囲内の時間間隔で決定されることを特徴と
    する、請求項23に記載の方法。
  25. 前記測定値Mtiは、1ないし20秒の範囲内、好ましくは、2ないし10秒の範囲内
    の時間間隔で決定されることを特徴とする、請求項23又は24に記載の方法。
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