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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines Strömungspotentials
in einer flüssigen Probe nach dem Oberbegriff des Patentanspruches
1.
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Die
Strömungspotentialtitration ist ein Verfahren, mittels
dessen man geladene Teilchen in einer Probe, insbesondere kolloidal
gelöste Substanzen einer wässrigen Probe, bestimmen
kann. Es eignet sich beispielsweise, um Störstoffe bei
der Papierherstellung zu ermitteln, sowie Additive zu charakterisieren
und auszuwählen. Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise
aus der
US 3 368 145 ,
der
US 4 449 101 oder
der
EP 0 521 043 B1 bekannt.
Diese bekannten Anordnungen umfassen einen Probenbehälter
mit einer Bohrung, in welcher ein Kolben mittels eines Exzenterantriebs
auf- und abbewegbar ist. Der Kolben weist einen geringeren Durchmesser
als die Bohrung auf, so dass zwischen dem Kolben und der Innenwand
der Bohrung ein Spalt gebildet wird. Durch die Auf- und Abbewegung
des Kolbens wird die in den Behälter eingefüllte
Probe aus einem unteren Bereich des Probenbehälters durch
den Spalt nach oben in einen oberen Bereich verdrängt und wieder
zurückgesaugt. Die Antriebseinrichtung für die
Probenflüssigkeit umfasst also die Bohrung im Probenbehälter,
den darin beweglichen Kolben, sowie den Exzenter mit Antriebsmotor.
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Ein
wesentliches Problem bei der bekannten Anordnung liegt darin, dass
der Kolben sehr exakt geführt sein muss, um eine konstante
Spaltbreite rings um den Kolben zu gewährleisten.
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Ein
weiteres Problem bei derartigen Anordnungen besteht darin, dass
nach jeder Messung eine gründliche Reinigung stattfinden
muss, da mit Titrierflüssigkeiten gearbeitet werden muss,
welche nachfolgende Proben nicht verunreinigen dürfen.
Somit sind sowohl die Herstellung als auch der Betrieb derartiger
Vorrichtungen aufwändig.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art dahin gehend weiter zu bilden, dass in einfacher Weise eine
korrekte Messung erfolgen kann.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
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Insbesondere
wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Messung eines Strömungspotentials in
einer flüssigen Probe gelöst, die einen Probenbehälter
und einen Spalt zwischen einem oberen und einem unteren Bereich
des Probenbehälters, jeweils mindestens eine Messelektrode
im oberen und im unteren Bereich des Behälters und eine
Antriebseinrichtung zum Bewegen von Probenflüssigkeit durch den
Spalt mit einer vorbestimmten Strömungsgeschwindigkeit
und eine Bohrung im Probenbehälter aufweist, wobei der
Spalt zwischen einer Innenwand der Bohrung im Probenbehälter
und einem Kalibrierstab gebildet ist, der spielfrei aber herausnehmbar
in die Bohrung einsetzbar ist.
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Ein
wesentlicher Punkt der Erfindung liegt somit darin, dass der Spalt
nunmehr nicht von einem während der Messung bewegbaren
Teil der Antriebseinrichtung mit definiert wird, sondern der Antrieb
der Probenflüssigkeit unabhängig hiervon erfolgt.
Die Flüssigkeit wird also durch den während der
Messung sich mechanisch/geometrisch nicht verändernden
Spalt hindurchgepumpt. Eine derartige, unbewegliche Halterung des
Kalibrierstabes in derjenigen Position, in welcher die Messung erfolgt,
ist erheblich weniger aufwändig, als eine bewegliche, hochpräzise Führung,
wie sie bisher notwendig war.
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Zum
Reinigen wiederum ist es nötig, den Kalibrierstab aus der
Bohrung heraus zu nehmen und sowohl den Probenbehälter
als auch den mit der Probenflüssigkeit in Kontakt gekommenen
Kalibrierstab zu reinigen.
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Die
Antriebseinrichtung ist vorzugsweise als Verdrängereinrichtung
ausgebildet und mit dem unteren Bereich des Behälters kommunizierend
verbunden, so dass das Volumen des unteren Bereichs des Behälters
vergrößert und verkleinert werden kann. Damit
kann der obere Bereich des Behälters offen bleiben, muss
also nicht hydraulisch abgedichtet werden, was eine erhebliche Erleichterung
beim Titrieren bedeutet.
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Bei
einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Antriebseinrichtung
mindestens teilweise im Kalibrierstab ausgebildet. Damit ist das
Innere des Behälters nach dem Herausnehmen des Kalibrierstabs
frei zugänglich, um gereinigt zu werden. Das Gleiche gilt
auch für den Kalibrierstab samt der Antriebseinrichtung.
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Die
Antriebseinrichtung kann nun einen in einer Bohrung im Kalibrierstab
hin- und herbewegbaren Kolben umfassen. Vorzugsweise wird jedoch
die Verdrängereinrichtung aus einem (verkleinerten) Kolben
gebildet, der über ein Balgenelement oder dergleichen dicht
mit dem Kalibrierstab verbunden ist. Bei geeigneter Materialwahl
kann hier eine einstückige Verbindung geschaffen werden.
Damit sind sowohl eine besonders hohe Haltbarkeit als auch ein besonders
einfaches Reinigen gewährleistet.
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Bei
einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Antriebseinrichtung
im Behälter angeordnet. Besonders eignet sich hierzu der
untere Bereich des Behälters, der mit einer Kammer verbunden werden
kann, die durch eine Membran abgeschlossen ist. Diese Membran kann
dann durch einen entsprechenden Antrieb bewegt werden, so dass die Probenflüssigkeit
verdrängt wird.
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Vorzugsweise
weisen der Kalibrierstab und/oder die Innenwand der Bohrung Nuten
auf, welche mindestens einen kalibrierten Spalt bilden. Der Kalibrierstab
kann dann fest (aber herausnehmbar) über die Bereiche zwischen
den Nuten in der Bohrung des Behälters gelagert werden.
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Vorzugsweise
werden die Nuten in ihrer Dimensionierung der zu messenden Probe
angepasst. Dafür ist es von Vorteil, wenn zu jeder Messvorrichtung
ein „Satz" von Kalibrierstäben gefertigt und ausgeliefert
wird, die unterschiedliche Nuten haben. Damit können dann
je nach der zu bearbeitenden Probe weitere oder engere Nuten gewählt werden,
um eine Optimierung der Strömungsgeschwindigkeit zu erreichen,
ohne dass dabei die Antriebsgeschwindigkeit verändert werden
muss. Dies wiederum hat den Vorteil, dass die nachgeschaltete Elektronik
zur Messung des Strömungspotentials, welche ja in Abstimmung
mit der Oszillationsfrequenz der Strömungsgeschwindigkeit
arbeiten muss, nicht zu verändert werden braucht.
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Die
Antriebseinrichtung ist vorzugsweise derart steuerbar ausgebildet,
dass ein im Wesentlichen beliebiger zeitlicher Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit
voreinstellbar ist. Dadurch kann man z. B. an Stelle einer wie bisher üblichen
sinusförmigen Bewegung des Kolbens (hinsichtlich seiner
Geschwindigkeit) und damit eines entsprechend sinusförmigen
Geschwindigkeitsverlaufes der Strömung einen rechteckförmigen
Geschwindigkeitsverlauf der Strömungsgeschwindigkeit einstellen.
Nachdem bei den üblichen Messungen das Maximalpotential
gemessen wird, welches bei der maximalen Strömungsgeschwindigkeit
auftritt, steht bei einem rechteckförmigen Geschwindigkeitsverlauf
eine erheblich längere Zeit zur Verfügung, innerhalb
derer die gemessenen Signale gemittelt werden können.
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Bevorzugte
Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Abbildungen
näher erläutert. Hierbei zeigen
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1 Einzelteile
einer aus vier „Baugruppen" aufgebauten Vorrichtung;
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2 die
Anordnung nach 1 in teilweise zusammengebautem
Zustand;
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3 u. 4 die
vollständig zusammengebaute Vorrichtung in zwei verschiedenen
Betriebszuständen;
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5 einen
Schnitt entlang der Linie V-V aus 3;
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6 eine
Antriebseinrichtung mit Kalibrierstab entsprechend einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung; und
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7 eine
weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die
Antriebseinrichtung mit dem Probenbehälter verbunden ist.
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In
der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleich
wirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
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Wie
in 1 gezeigt, ist ein Probenbehälter 10 vorgesehen,
in welchem eine Bohrung mit einem oberen Bohrungsabschnitt 15 von
großem Durchmesser, und einem unteren Bohrungsabschnitt 16 von
kleinem Durchmesser vorgesehen sind. Am Übergang zwischen
dem oberen Bohrungsabschnitt 15 und dem unteren Bohrungsabschnitt 16 ist
eine erste Elektrode 5 vorgesehen. Am Boden des unteren
Bohrungsabschnittes 16 ist eine zweite Elektrode 16 vorgesehen.
Zwischen den beiden Elektroden 5, 6 wird mittels
einer (nicht gezeigten) Messeinrichtung das Strömungspotential
abgegriffen.
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In
die Bohrung 15/16 ist ein Kalibrierstab 30 einsetzbar,
wie dies in 2 gezeigt ist. Nach dem Einsetzen
steht eine Haltekappe 34 mit einem Oberrand des Probenbehälters 10 in
Verbindung. Die Haltekappe 34 weist hinreichend große Öffnungen
(nicht gezeigt) auf, um mittels Titrierspitzen eine oder mehrere
Titrierflüssigkeiten zuführen zu können.
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Der
Kalibrierstab 30 weist bei dieser Ausführungsform
der Erfindung eine innere Bohrung auf, die als Zylinder 26 fungiert.
In diesen Zylinder 26 kann ein Verdrängerkolben 22 eingesetzt
werden, der über eine Spindel 21 von einem in
seiner Drehposition/Geschwindigkeit möglichst präzise
steuerbaren Motor (z. B. einem Schrittmotor) in Drehung versetzt
werden kann. Die Spindel 21 steht über ein nicht
gezeigtes Gewinde innerhalb des Verdrängerkolbens 22 mit diesem
in Verbindung, so dass je nach Drehrichtung des Motors 23 der
Verdrängerkolben 22 im Zylinder 26 auf-
und abbewegt wird.
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Wenn
der Verdrängerkolben 22 ganz in den Zylinder 26 eingesetzt
ist, so kann eine Abdeckkappe 27 aufgesetzt werden. Die
Anordnung ist hierbei derart getroffen, dass ein im Wesentlichen
flüssigkeitsdichtes Teil entsteht, das nach Durchführung
einer Messung gesondert gereinigt werden kann.
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Wenn – wie
in den 3 und 4 gezeigt, die Vorrichtung vollständig
zusammengebaut ist, kann während einer Messung der Kolben 26 von
einer oberen Position (siehe 3) in eine
untere Position (siehe 4) durch den Motor 23 verfahren werden.
Dadurch wird die vom Verdrängerkolben 26 verdrängte
Probenflüssigkeit vom unteren Bereich 12 in den
oberen Bereich 11 der Behälterbohrung verschoben
und muss dabei durch einen Spalt 3 zwischen dem Kalibrierstab 30 und
einer Innenwand 14 des unteren Bohrungsabschnittes 16 strömen.
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Wie
in 5 gezeigt, ist zur Schaffung dieses Spaltes 3 der
Kalibrierstab 30 auf seiner Außenfläche
mit drei Nuten 31 versehen, zwischen denen Vorsprünge 32 stehen
gelassen sind. Diese Vorsprünge 32 sind nun so
dimensioniert, dass sie eng an der Innenwand 14 des unteren
Bohrungsabschnitts 16 anliegen. Die Passung ist derart
getroffen, dass der Kalibrierstab 30 dennoch aus dem unteren Bohrungsabschnitt 16 herausgenommen
werden kann. Bei einer alternativen, hier nicht gezeigten Ausführungsform
ist hierbei kein reiner Gleiteingriff, sondern ein Gewinde- oder
Bajonetteingriff oder dergleichen vorgesehen, so dass auch bei größeren
hydraulischen Kräften der Kalibrierstab 30 während
einer Messung sicher an seinem Platz bleibt.
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Bei
der in 6 gezeigten alternativen Ausführungsform
der Erfindung ist der Verdrängerkolben 22 nicht
in einem Zylinder 26 gelagert, sondern ist über
ein Balgenelement 33 fest (im gezeigten Ausführungsbeispiel
einstückig) mit dem Kalibrierstab 30 verbunden.
Durch eine entsprechende Drehung der Spindel 21, die in
einem Gewindeabschnitt 28 des Verdrängerkolbens 22 gelagert
ist, wird der Verdrängerkolben 22 nach oben und
unten gefahren, so dass die Probenflüssigkeit vom unteren
Bereich 11 in den oberen Bereich 12 und zurück,
verdrängt werden kann.
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Die
in 7 gezeigte weitere Ausführungsform der
Erfindung unterscheidet sich dadurch von den zuvor gezeigten Ausführungsformen,
dass die Antriebseinrichtung 20 zur Verdrängung
der Flüssigkeit durch den Spalt nicht im Kalibrierstab 30 angeordnet
ist, sondern mit dem Probenbehälter 10 verbunden
ist. Hierzu ist eine Pumpkammer 24 vorgesehen, die durch
eine Membran 25 abgeschlossen ist. Eine (hier nicht gezeigte)
Antriebseinrichtung ist vorgesehen, welche die Membran 25 bewegt,
so dass das in der Pumpkammer 24 befindliche Probenvolumen
durch den Spalt in der wie oben beschriebenen Weise verdrängt
werden kann.
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Zur
Bildung der Pumpkammer 24 ist vorzugsweise eine Anordnung
vorgesehen, die leicht mit dem Probenbehälter 10 verbunden
werden kann, um sie zu Reinigungszwecken abnehmen zu können.
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Der
Kalibrierstab 30 kann bei dieser Anordnung ohne Innenbohrung
ausgeführt werden, wobei ebenfalls die in 5 gezeigten
Nuten 31 vorgesehen werden. Gleiches gilt natürlich
auch für die Anordnung nach 6, wobei
der Außenumfang des Verdrängerkolbens 22 und
des Balgenelements 33 derart gering dimensioniert ist,
dass eine, die Ladungstrennung im Spalt 3 beeinflussende
Wirkung nicht auftritt.
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- 1
- Probe
- 3
- Spalt
- 5
- 1.
Messelektrode
- 6
- 2.
Messelektrode
- 10
- Probenbehälter
- 11
- oberer
Bereich
- 12
- unterer
Bereich
- 13
- Bohrung
- 14
- Innenwand
- 15
- oberer
Bohrungsabschnitt
- 16
- unterer
Bohrungsabschnitt
- 20
- Antriebseinrichtung
- 21
- Spindel
- 22
- Verdrängerkolben
- 23
- Motor
- 24
- Pumpkammer
- 25
- Membran
- 26
- Zylinder
- 27
- Abdeckkappe
- 28
- Gewindeabschnitt
- 30
- Kalibrierstab
- 31
- Nut
- 32
- Vorsprung
- 33
- Balgenelement
- 34
- Haltekappe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 3368145 [0002]
- - US 4449101 [0002]
- - EP 0521043 B1 [0002]