WO1998009151A1

WO1998009151A1 - Verfahren und vorrichtung zur volumenbestimmung von flüssigkeits-tropfen

Info

Publication number: WO1998009151A1
Application number: PCT/EP1997/004720
Authority: WO
Inventors: Herbert Windolph
Original assignee: Herbert Windolph
Priority date: 1996-08-31
Filing date: 1997-08-29
Publication date: 1998-03-05
Also published as: DE19635348C1; US6439068B2; US20010045126A1

Abstract

Zur Messung des Volumens von Flüssigkeits-Tropfen wird zunächst ein Flüssigkeitsvolumen in einzelne Tropfen vereinzelt, werden den Tropfen ein gegenüber dem Umgebungspotential unterschiedliches elektrisches Potential aufgeprägt, welches in Abhängigkeit der Kapazität der Tropfen zu ihrer Umgebung die aufgenommene elektrische Ladung dieser Tropfen bestimmt. Die Kapazität und damit das Volumen dieser Tropfen kann schließlich nach Wandlung von Ladung in Spannung durch Messung dieser von der Kapazität abhängigen Meßgröße bestimmt werden. Hierzu ist ein Flüssigkeitstropfen-Sammelbehälter (2, 40) vorgesehen, welcher einen Tropfenbildner (4, 42) aufweist zur Abgabe von Einzeltropfen, ferner eine Einrichtung zur Aufladung der durch die Tropfenbildner (4, 42) gebildeten Einzeltorpfen. Unterhalb des Flüssigkeitstropfen-Sammelbehälters (2, 42) ist eine an eine Tropfen-Auffangelektrode (16, 46) angeschlossene Meßeinrichtung (8, 44) zur Ermittlung der Kapazität der Tropfen über einen Spannungssprung oder einer davon abhängigen Meßgröße angeordnet. Eine Auswerteeinrichtung ermittelt aus dem gemessenen Spannungssprung oder der davon abhängigen Meßgröße das Tropfenvolumen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Volumenbestimmung von

Flüssigkeits-Tropfen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Volumenbestimmung von Flüssigkeits-Tropfen, insbesondere zur Niederschlagsmengenbestimmung. Eine zuverlässige Volumenbestimmung kleinster Flüssigkeitsmengen in Tropfenform stellt hohe Anforderungen an eine geeignete Meßtechnik. Der Meßbereich beträgt ca. 1 μl bis maximal Tropfengröße. Es ist die Volumenbestimmung über eine Gewichtsmessung bekannt, die Waagen für relativ kleine Kräfte erfordert, die empfindlich auf Störungen, wie Luftströmungen. Temperaturänderungen, Mikrofonie etc., reagieren. Mit Hilfe der Gewichtsmessung ist es praktisch unmöglich, das Einzel- Volumen eines jeden Tropfens getrennt zu messen, wenn die Tropfenereignisse rasch aufeinander folgen. Ferner ist es bekannt, das Tropfenvolumen über optische Meßverfahren zu ermitteln über die Auswertung der Abbildung der Gestalt des Tropfens über Abschattung oder ähnliche Verfahren. Hierbei beeinflussen die optische Transparenz (Transmissionsänderung durch Partikel) und die Reflektivität des Flüssigkeitstropfens die Meßgenauigkeit negativ.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung des Verfahrens so auszubilden, daß das Volumen von Flüssigkeitstropfen genauer und mit geringerem Aufwand ermittelbar ist. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1

BESTÄTIGUNGSKQPIE gelöst. Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen sind in den dem Anspruch 1 zugeordneten Unteransprüchen angegeben.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im Anspruch 2 angegeben. Weitere Ausgestaltungen dieser Vorrich- tung sind in den dem Anspruch zugeordneten Unteransprüchen angegeben .

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die Möglichkeit, isoliert aufgehängten, schwebenden oder fallenden Massen aufgrund ihrer Kapazität eine Ladung gegenüber der Umgebung auf- zuprägen, die sie auch ohne Verbindung zur Spannungsquelle eine Zeitlang beibehalten. Einem Flüssigkeitstropfen, beispielsweise einem Wassertropfen, wird durch Berührung mit einer gegenüber der Umgebung auf unterschiedlichem elektrischem Potential befindlichen Elektrode, beispielsweise Me- tallplatte, deren Potential ( ^uprägeelektrode ^ aufgeprägt. Die vom Durchmesser bzw. von der Masse des Tropfens abhängige Kapazität bestimmt die Menge der vom Tropfen aufgenommenen Ladung.

Ein fallender aufgeladener Tropfen behält diese Ladung eine Zeitlang bei und teilt sie mit der Kapazität einer Auf- fangelektrode. Die Ladung des Tropfens erzeugt an der Summenkapazität des Tropfens und der Auffangelektrode einen Spannungssprung gegenüber der Umgebung.

Ein fallender, nicht aufgeladener Tropfen vergrößert beim Auftreffen auf die gegenüber der Umgebung auf unter- schiedlichem elektrischem Potential befindliche Auffangelektrode deren Kapazität entsprechend seiner Kapazität, wodurch ein Spannungssprung bewirkt wird.

Der Spannungssprung wird gemessen und ausgewertet. Er kann beispielsweise mit einem geeigneten Meßverstärker ver- stärkt und impedanzgewandelt in einem Spitzenwertdetektor gespeichert und anschließend zeitunkritisch ausgewertet werden. Nach Umrechnung des kubischen Zusammenhanges zwischen Radius und Volumen einer Kugel erhält man einen volumenlinearen Meßwert, wenn man davon ausgeht, daß der Tropfen angenä- hert Kugelform aufweist.

Die Kapazität C einer Kugel mit dem Radius R im Raum beträgt C = 4 π e_jj.iR, worin e^ . die elektrische Feldkonstan- te bedeutet .

Die Kapazität C bestimmt zusammen mit der Potentialdifferenz (aufgeprägtes Potential) die elektrische Ladung Q des Tropfens gemäß folgender Beziehung:

Ladung des Tropfens : Q = C_Tropfen x U_{prägeelektrode}

Die Ladung des Tropfens gegenüber seiner Umgebung kann beispielsweise nach Berührung einer Auffangelektrode mit Hil- fe eines Ladungs/Spannungskonverters gemessen werden. Zum Beispiel kann die Spannung, die sich beim Auftreffen des Tropfens auf die Kapazität der Meß-Elektrode und des hoch- ohmigen Eingangs eines Operationsverstärkers einstellt und mit der Zei kons anten der Eingangsimpedanz abklingt, als Spitzenwert gemessen werden.

Meßspannungsspitze : U = ( C_TropfeD / ( C_{Heflelektrode} + ^cTropf en ^ ^■* ^{x U}Prägeelektrode

Über die Höhe der gemessenen Ladung kann bei konstanter bekannter Potentialdifferenz der prägenden Elektrode ( ^uPräeeelek- trode _*' gegenüber der Umgebung das Volumen oder die Masse des Tropfens errechnet werden. Durch den kubischen Zusammenhang zwischen Radius und Volumen einer Kugel müssen die Spannungs- meßwerte mit 3 potenziert werden, um eine volumenlineare Meßgröße zu erhalten.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert werden .

Es zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Messung des Volumens von Flüssigkeitstropfen und Fig. 2 ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Messung des Volumens von Flüssigkeitstropfen .

Die Vorrichtung nach Fig. 1 weist einen Flüssigkeits- Sammelbehälter 2, beispielsweise einen Wassertropfen-Sammelbehälter, auf, in dem die Niederschlagsmenge einer bestimmten Querschnittsfläche aufgefangen wird. Die gesammelte Wasser- menge wird über einen Tropfenbildner 4 als eine zeitliche

Folge von Wassertropfen 6 in eine darunter angeordnete Meßvorrichtung 8 abgegeben. Der Tropfenbildner 4 weist eine Potential-Führungsnadel 10 auf, die über den Wassertropfen-Sammelbehälter oder direkt mit einer Spannungsquelle, beispiels- weise einem Hochspannungskonverter 12, in Verbindung steht, welcher die notwendige Potential-Differenz des Flüssigkeits- Sammelbehälters 2 bzw. der Potential-Führungsnadel 10 zur Umgebung erzeugt.

Die Meßvorrichtung 8 umfaßt eine Tropfen-Auffang-Elek- trode 16 sowie eine nachgeschaltete Meßelektronik.

Bei der Ablösung eines Wassertropfens vom Tropfenbildner 4 nimmt dieser eine gut angenäherte Kugelform an. Während dieser Zeit steht er durch die Potential-Führungsnadel 10 mit dem Potential des Tropfen-Sammelbehälters in Verbindung, d. h. daß der Tropfen in seiner bereits runden Form in elektrischem Kontakt mit dem Tropfen-Sammelbehälter steht. Die notwendige Potential-Differenz des Sammelbehälters 2 zur Umgebung wird über den Hochspannungskonverter 12 erzeugt.

Die Potential-Führungsnadel 10 besteht aus einem leit- fähigen, hydrophoben Material, welches den Tropfen bei seiner Ablösung möglichst wenig deformiert. Die Potential-Führungsnadel 10 sorgt für eine genaue Ablösekapazität des Tropfens. Der Tropfen fällt nach seiner Ablösung von der Potentialführungsnadel nach unten und trägt hierbei eine aus seiner Kapazität zur Umgebung und der Spannung des Wassertropfen- Sammelbehälters 2 bzw. der Potential-Führungsnadel 10 resultierenden Ladung. Der Tropfen durchfällt das koaxiale Feld einer Feld- Elektrode 14, welche auch bei kleiner Abweichung der Tropfen- Fallbahn von der ideal senkrechten Fallbahn keine wesentlichen Kapazitätsänderungen des Tropfens gegen seine Umgebung bewirkt. Die Feld-Elektrode bewirkt eine Abschirmung gegen elektrische Einflüsse von außen. Sie kann ein koaxiales oder anders ausgebildetes Feld zur Verbesserung der Eigenschaften der Vorrichtung bewirken. Die Feldelektrode 14 kann ein anderes elektrisches Potential als der Tropfenbildner oder die Auffangelektrode aufweisen.

Beim Annähern, kurz vor dem Auftreffen des Tropfens auf die Auffang-Elektrode 16 verliert der Tropfen einen Anteil seiner gespeicherten elektrischen Energie, weil er sich dort mit dem elektrischen Feld bewegt. Dieser Effekt hat jedoch keinen Einfluß auf die Meßgenauigkeit, weil bei jeder Tropfengröße bzw. seiner jeweiligen Kapazität, sich diese Energieänderung proportional verhält.

Beim Auftreffen des Tropfens 6 auf die Auffangelektrode 16 teilt der Tropfen seine Ladung mit der Kapazität dieser Elektrode und der Eingangskapazität eines Meßverstärkers, beispielsweise eines Ladungs/Spannungskonverters 20. Diese Kapazitäten werden in Abhängigkeit von der elektrischen Energie in Form der Ladung und Kapazität des Tropfens geladen. Die Folge ist ein Spannungssprung am Eingang des Ladungs/ Spannungskonverters 20.

Um größere Schwankungen der Dielektrizitätskonstanten e der umgebenden Luft, bedingt beispielsweise durch Temperatur- und Luftfeuchteänderungen zu kompensieren, kann eine Kompensations-Elektrode 22 vorgesehen werden, die zusammen mit der Auffang-Elektrode 16 einen Kondensator bildet, dessen Kapazität von der Dielektrizitätkonstanten e des umgebenden Mediums abhängt und so Kapazitätsänderungen bei Tropfen gleicher Größe durch sich ändernde Dielektrizitätskonstanten kompensiert, dessen Kapazität zur Umgebung sich also proportional mit einer Kapazitätsänderung des Tropfens ändert.

Der Ausgang des Ladungs/Spannungskonverters 20 führt in einen Spannungs-Spitzenwert-Detektor 24, der die Spannungs- spitze für die weitere Verarbeitung speichert. Um eine volumenproportionale Ausgangsgröße zu erhalten, kann dieser Spitzenwert über einen Potenzierer 26 mit 3 potenziert werden. Am Ausgang eines Ausgangspuffers 28 steht ein analoger volumen- proportionaler Meßwert zur Verfügung. Der Ausgang des Spitzenwert-Detektors kann über einen Komparator 30 eine Übergabe-Aufforderung nach außen abgeben. Nach Abruf des Analogmeßwertes von z. B. einem externen Daten- logger kann der Spitzenwert-Detektor durch Rückgabe einer Übergabebestätigung an ein Rücksetz-Monoflop 32 gelöscht werden.

Die Vorrichtung nach Fig. 2 weist einen Flüssigkeitstropfen-Sammelbehälter 40, beispielsweise einen Wassertropfen-Sammelbehälter auf, in dem die Niederschlagsmenge einer bestimmten Querschnittsfläche aufgefangen wird. Die gesammelte Wassermenge wird über einen Tropfenbildner 42 als eine zeitliche Folge von Wassertropfen in eine darunterliegende Meßvorrichtung 44 abgegeben. Die Meßvorrichtung 44 umfaßt eine Auffang-Elektrode 46, die mit einem Meßverstärker, beispielsweise einem Ladungs/Spannungskonverter 48 verbunden ist.

Bei der Ablösung eines Wassertropfens vom Tropfenbildner 42 nimmt dieser bereits eine gut angenäherte Kugelforra an. Während der Tropfen die Strecke bis zu Auffang-Elektrode 46 durchfällt, idealisiert sich seine Kugelform weiterhin. Die Geschwindigkeit, die der Tropfen auf der relativ kurzen Fallstrecke aufnimmt, führt noch nicht zu einer nennenswerten Deformierung der Kugelform.

Der Tropfen fällt nach seiner Ablösung vom Tropfenbildner 42 nach unten und trägt hierbei keine Ladung gegenüber zur Umgebung, da der Tropfen-Sammelbehälter 40 keinen Potentialunterschied zur Umgebung aufweist.

Der Auffang-Elektrode 46 wird durch eine Spannungsquelle, beispielsweise einen Hochspannungskonverter 62, und über einen hochohmigen Widerstand oder eine Konstantstromquelle ₍nicht dargestellt) ein gegenüber Umgebung unterschiedliches Potential aufgeprägt.

Beim Auftreffen des Tropfens auf die Auffangelektrode 46 vergrößert dieser gemäß seiner Kapazität gegenüber der Umgebung die Kapazität der Elektrode und der Koppelkapazität zum Ladungs/Spannungskonverter 48. Die Folge hiervon ist ein Spannungssprung an der Auffangelektrode 46 und am Eingang des Ladungs/Spannungskonverters 48. Der Ausgang des Ladungs/

Spannungskonverters 48 führt in einen Spannungs-Spitzenwert- Detektor 50, der den Spannungsspitzenwert für die weitere Verarbeitung speichert.

Um eine volumenproportionale Ausgangsgröße zu erhalten, kann dieser Spitzenwert über einen Potenzierer 52 mit 3 potenziert werden.

Nach einem Ausgangspuffer 54 steht der analoge volumenproportionale Meßwert zur Verfügung. Der Ausgang des Spitzenwert-Detektors 50 kann über einen Komparator 56 eine über- gabe-Aufforderung nach außen abgeben.

Nach Abruf des Analogmeßwertes von z. B. einem externen Daten-Logger kann durch Rückgabe einer Übergabebestätigung an ein Rücksetz-Monoflop 60 der Spitzenwert-Detektor gelöscht werden . Der Spitzenwertdetektor 24 oder 48 kann entfallen, wenn durch einen sehr hohen Eingangswiderstand des Ladungs/Span- nungs-Konverters 20 oder 48 eine ausreichend große Abkling- Zeitkonstante erreicht wird oder wenn eine digitale Spitzen- wertmessung über A/D-Wandler benutzt wird. Die Auffang-Elektrode 16 oder 46 kann beispielsweise eben, konvex oder konkav gekrümmt sein. Sie kann beispielsweise aus einer Folie oder aus einem Gitter bestehen.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Messung des Volumens von Flüssigkeits-Tropfen,

gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Vereinzelung eines Flüssigkeitsvolumens in einzelne Tropfen,

Aufladung der Tropfen mit einer elektrischen Ladung ge- genüber ihrer Umgebung, welche von der Potentialdifferenz und der Kapazität des Tropfens zu seiner Umgebung abhängig ist,

Messung der Kapazität der Tropfen oder einer davon ab- hängigen Meßgröße,

Ermittlung des Volumens der Tropfen aus dem gemessenen Potentialsprung oder einer davon abhängigen Meßgröße.

2. Verfahren zur Messung von Flüssigkeits-Tropfen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Vereinzelung eines Flüssigkeitsvolumens in einzelne Tropfen, Anhebung der Tropfen auf ein gegenüber der Umgebung unterschiedliches Potential,

Bestimmung der Ladung der Tropfen durch Konversion der Ladung in einen Spannungssprung oder eine davon abhängige Meßgröße,

Ermittlung der Kapazität der Tropfen aus dem gemessenen Spannungssprung oder einer davon abhängigen Meßgröße,

Umrechnung der Kapazität der Tropfen in ihr Volumen.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch

einen Flüssigkeitstropfen-Sammelbheälter (2, 40), welcher einen Tropfenbildner (4, 42) aufweist zur Abgabe von Einzeltropfen,

- eine Einrichtung zur Aufladung der durch den Tropfenbildner (4, 42) gebildeten Einzeltropfen,

eine unterhalb des Flüssigkeitstropfen-Sammelbehälters (2, 42) angeordnete, an eine Tropfen-Auffang-Elektrode (16, 46) angeschlossene Meßeinrichtung (8, 44) zur Ermittlung der Kapazität der Tropfen oder einer davon abhängigen Meßgröße,

eine Auswerteeinrichtung zur Ermittlung des Tropfenvolu- mens aus der gemessenen Kapazität oder aus einer davon abhängigen Meßgröße.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Aufladen des Tropfens eine Spannungsquel- le (12, 62) umfaßt, die an den Flüssigkeitstropfen-Sammelbehälter (2) oder den Tropfenbildner (4) oder an die Auffang- Elektrode (46) angeschlossen ist zur Aufladung dieser auf ein gegenüber Umgebungspotential unterschiedliches elektrisches Potential .

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich- net, daß der Tropfenbildner (4) mit einer Potentialführungsnadel (10) versehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialführungsnadel (10) in leitender Verbindung mit dem Flüssigkeitstropfen-Sammelbehälter (2) steht, wobei der Tropfen über diese Potentialführungsnadel mit dem Potential des Sammelbehälters (2) in Verbindung steht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tropfen-Auffangelektrode (16, 46) an einen Meßverstärker angeschlossen ist, welcher an seinem Ausgang einen Spannungsspitzenwert zur Verfügung stellt,

der von dem durch die durch die Ladung des Tropfens hervor- gerufenen Potentialänderung der Auffang-Elektrode (16) bewirkten Spannungssprung abhängt oder zu dem Spannungssprung proportional ist oder

der von dem durch die durch die Tropfenkapazität hervorgeru- fene Kapazitätsänderung der Auffang-Elektrode (46) bewirkten Spannungssprung abhängt oder zu diesem Spannungssprung proportional ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßverstärker ein Ladungs/Spannungskonverter (20, 48) ist .

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß an den Meßverstärker bzw. Ladungs/Spannungskonverter (20, 48) ein Spannungsspitzenwert-Detektor (24, 50) angeschlossen ist, welcher den Spannungsspitzenwert zur nachfolgenden Auswertung zwischenspeichert.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Potenziereinrichtung (26, 52) zum Potenzieren des Spannungsspitzenwertes mit dem Exponenten 3 vorgesehen ist zur Bereitstellung einer zum Tropfenvolumen linearen Meßgröße.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsspitzenwert-Detektor (24, 50) nach Abruf des Spannungsspitzenwertes rücksetzbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (8) eine die Fallstrecke des Tropfens umgebende Feld-Elektrode (14) zur Abschirmung aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Auffang-Elektrode (16) zugeordnete Kompensations-Elektrode (22) vorgesehen ist, die zusammen mit der Auffang-Elektrode (16) einen Kondensator bildet, dessen Kapazität von der Dielektrizitätskonstanten des umgebenden Medi- ums abhängt und so Kapazitätsänderungen bei Tropfen gleicher Größe durch sich ändernde Dielektrizitätskonstante kompensiert .

14. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (12, 62) einen Hochspannungskonverter aufweist .

15. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (62) über einen hochohmigen Wi- derstand oder eine Konstantstromquelle mit der Auffang-Elektrode (46) verbunden ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des Spitzenwert-Detektors (24, 50) ein Kompa- rator (30, 56) angeschlossen ist, der bei anstehenden Meßwerten ein Übergabgeaufforderungs-Signal abgibt, und daß durch ein Übergabebestätigungs-Signal über ein Monoflop (32, 66) der Spitzenwert-Detektor rücksetzbar ist