DE102023203256A1

DE102023203256A1 - Messsonde

Info

Publication number: DE102023203256A1
Application number: DE102023203256.2A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2023-04-11
Filing date: 2023-04-11
Publication date: 2024-10-17
Anticipated expiration: 2043-04-12
Also published as: DE102023203256B4

Abstract

Messsonde (4), zur Bestimmung der Dichte von Flüssigkeiten, umfassend einen Sondengrundkörper (5) mit einer Flüssigkeitseintrittsöffnung (8), einem im Sondengrundkörper (5) angeordneten Schwimmer (6), eine Abtriebseinheit (11) zur Erzeugung einer Abtriebskraft auf den Schwimmer (6), eine Schwimmerdetektionseinrichtung (12, 13) zur Bestimmung der Position des Schwimmers und mindestens eine Steuerungseinheit, die mit der Abtriebseinheit (11) und/oder der Schwimmerdetektionseinheit (12, 13) in Signalverbindung steht und dazu ausgebildet ist, die Dichte der Flüssigkeit zu bestimmen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messsonde zur Bestimmung der Dichte von Flüssigkeiten sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Dichte von Flüssigkeiten.
Zur Bestimmung der Dichte einer Flüssigkeit ist es notwendig, eine Probe der Flüssigkeit zu entnehmen und deren Dichte beispielsweise mittels der Schwingungsreaktion einer Membran, welche eine von der Dichte der Flüssigkeit abhängige Frequenzverteilung aufweist, zu bestimmen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Messsonde bereitzustellen, die die Bestimmung der Dichte einer Flüssigkeit benutzerfreundlich, einfach und unkompliziert gestaltet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Messsonde mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
Der Kern der Erfindung liegt darin, eine Messsonde in einer Flüssigkeit zu versenken und mittels dieser Messsonde die Dichte der Flüssigkeit zu bestimmen, ohne dass eine Probe der Flüssigkeit entnommen werden muss.
Die erfindungsgemäße Messsonde zur Bestimmung der Dichte von Flüssigkeiten umfasst dabei einen Sondengrundkörper mit einer Flüssigkeitseintrittsöffnung. Der Sondengrundkörper ist dazu ausgebildet, in der Flüssigkeit versenkt zu werden. Der Sondengrundkörper ist dabei insbesondere aus einem Material gefertigt, welches nicht mit der Flüssigkeit interagiert. Insbesondere wird der Sondengrundkörper nicht durch die Flüssigkeit beschädigt oder verschlissen.
Der Sondengrundkörper kann als rotationssymmetrischer Körper ausgeführt sein. Der Sondengrundkörper kann dabei insbesondere als Zylinder ausgebildet sein, wobei der Zylinder einen Durchmesser d_Z aufweist, wobei gilt: 5 mm ≤ d_Z ≤ 15 mm, insbesondere 6 mm ≤ d_Z ≤ 14 mm, insbesondere 7 mm ≤ d_Z ≤ 13 mm. Insbesondere 8 mm ≤ d_Z ≤ 12 mm und insbesondere 9 mm ≤ d_Z ≤ 11 mm.
Die Höhe des Zylinders h_Z kann insbesondere im Bereich 50 mm ≤ h_Z ≤ 150 mm, insbesondere 60 mm ≤ h_Z ≤ 140 mm, insbesondere 70 mm ≤ h_Z ≤ 130 mm, insbesondere 80 mm ≤ h_Z ≤ 120 mm und insbesondere 90 mm ≤ h_Z ≤ 110 mm liegen.
Insbesondere ist es denkbar, dass das Verhältnis von Zylinderhöhe zu Zylinderdurchmesser mindestens 5 und höchstens 19, insbesondere mindestens 6 und höchstens 17, insbesondere mindestens 7 und höchstens 15, insbesondere mindestens 8 und höchstens 13 und insbesondere mindestens 9 und höchstens 11 beträgt.
Der Sondengrundkörper weist weiterhin eine Flüssigkeitseintrittsöffnung auf. Die Flüssigkeitseintrittsöffnung kann beispielsweise am unteren Ende des Sondengrundkörpers angeordnet sein. Insbesondere kann die Flüssigkeitseintrittsöffnung am unteren Teil der Mantelfläche des Sondengrundkörpers angeordnet sein.
Die Flüssigkeitseintrittsöffnung kann auch an der Grundfläche des Schwimmergrundkörpers angeordnet sein. Es ist insbesondere denkbar, dass die Flüssigkeitseintrittsöffnung konzentrisch zu der Grundfläche angeordnet ist.
Die Flüssigkeitseintrittsöffnung kann als kreisförmiges Loch mit einem Durchmesser d_FE ausgebildet sein, wobei gilt: 2 mm ≤ d_FE ≤ 8 mm, insbesondere 3 mm ≤ d_FE ≤ 7 mm und insbesondere 4 mm ≤ d_FE ≤ 6 mm.
Auch andere Formen der Flüssigkeitseintrittsöffnung sind denkbar.
Die Messsonde umfasst weiterhin einen Schwimmer, der im Inneren des Sondengrundkörpers angeordnet ist. Der Schwimmer ist dabei frei beweglich im Inneren des Sondengrundkörpers angeordnet. Er ist insbesondere nicht mit dem Sondengrundkörper verbunden. Der Schwimmer kann reversibel aus dem Sondengrundkörper entnommen und durch einen alternativen Schwimmer ausgetauscht werden. Zum Austausch des Schwimmers kann sich an der Sondendeckfläche ein Verschließmechanismus befinden, der zum Zwecke des Schwimmeraustauschs geöffnet werden kann und ansonsten den Sondengrundkörper fluiddicht abschließt.
Der Schwimmer ist vorzugsweise aus einem Material hergestellt, dessen Dichte kleiner ist als die Dichte der Flüssigkeit, in der der Sondengrundkörper versenkt wird. Hierzu kann der Schwimmer beispielsweise aus Glas bestehen. Insbesondere ist es denkbar, dass der Schwimmer als hohler Glaskörper ausgebildet ist. Im Inneren des hohlen Glaskörpers befindet sich ein Gas, vorzugsweise Luft.
Der Schwimmer kann als rotationssymmetrischer Körper ausgebildet sein. Die Rotationsachse des Schwimmers ist in diesem Fall identisch mit der Rotationsachse des Sondengrundkörpers. Anders ausgedrückt können Sondengrundkörper und Schwimmer in Draufsicht konzentrisch angeordnet sein.
Es ist weiterhin denkbar, dass der Schwimmer an seinem oberen und/oder seinem unteren Ende eine konische Form, insbesondere einen Vollkegel ausbildet.
Der Schwimmer weist in einer zu seiner Symmetrieachse radialen Richtung eine maximale Ausdehnung von r_Sch auf, wobei gilt: 1,9 mm ≤ r_Sch ≤ 2,9 mm, insbesondere 2,1 mm ≤ r_Sch ≤ 2,7 mm und insbesondere 2,3 mm ≤ r_Sch ≤ 2,5 mm.
In zur Symmetrieachse axialer Richtung kann der Schwimmer eine maximale Ausdehnung h_Sch aufweisen, wobei gilt: 37,5 mm ≤ h_Sch ≤ 112,5 mm, insbesondere 45 mm ≤ h_Sch ≤ 105 mm, insbesondere 52,5 mm ≤ h_Sch ≤ 97,5 mm, insbesondere 60 mm ≤ h_Sch ≤ 90 mm und insbesondere 67,5 mm ≤ h_Sch ≤ 82,5 mm.
Die Höhe h_Sch kann dabei insbesondere mindestens 50% der Höhe des Sondengrundkörpers, insbesondere mindestens 60%, inbesondere mindestens 70%, insbesondere mindestens 75% betragen.
Innerhalb des Sondengrundkörpers kann sich der Schwimmer so in einer oberen als auch in einer unteren Messlage befinden. In seiner unteren Messlage kann der Schwimmer insbesondere mit der Grundfläche des Sondengrundkörpers in physischem Kontakt stehen. Im Fall eines konisch zulaufenden Schwimmers und einer an der Grundfläche des Sondengrundkörpers angeordneten Flüssigkeitseintrittsöffnung kann der Schwimmer in seiner unteren Messlage teilweise innerhalb der Flüssigkeitseintrittsöffnung angeordnet sein und diese dadurch verschließen. Es ist möglich, dass der Schwimmer in seiner unteren Messlage in der Flüssigkeitseintrittsöffnung stabilisiert gelagert wird.
In seiner oberen Messlage kann der Schwimmer insbesondere mit der Deckfläche des Sondengrundkörpers in physischem Kontakt stehen. Es ist auch denkbar, dass der Schwimmer in oberer Messlage von der Deckfläche des Sondengrundkörpers beabstandet angeordnet ist.
Die Messsonde umfasst weiterhin eine Abtriebseinheit. Unter einer Abtriebseinheit sei dabei ein Bauteil verstanden, welches auf den Schwimmer eine Abtriebskraft auswirken kann, die größer ist als die Auftriebskraft, die der Schwimmer durch die Flüssigkeit erfährt. Die Abtriebskraft ist insbesondere groß genug, um den Schwimmer bis zur Grundfläche des Sondengrundkörpers hinunter zu ziehen und dort zu halten.
Jede Abtriebseinheit, die eine ausreichend große Abtriebskraft erzeugen kann, ist dabei denkbar. Beispielsweise kann die Abtriebseinheit eine mechanische Kraft auf den Schwimmer ausüben. Es ist denkbar, dass die Abtriebseinheit einen physischen Kontakt zu dem Schwimmer herstellt und die erforderliche Abtriebskraft über Reibung aufnimmt. Es ist auch denkbar, dass die Abtriebseinheit als sogerzeugendes Bauteil ausgebildet ist. In einem solchen Fall erzeugt die Abtriebseinheit die erforderliche Abtriebskraft auf den Schwimmer über die Sogwirkung.
Es ist auch denkbar, dass die Abtriebseinheit als ein elektromagnetisches Bauteil ausgebildet ist. In einem solchen Fall wird die Abtriebskraft über elektromagnetische Wechselwirkung erzeugt.
Die Abtriebseinheit kann insbesondere im unteren Bereich, insbesondere in der unteren Hälfte und insbesondere im unteren Viertel und insbesondere im unteren Achtel, des Sondengrundkörpers angeordnet sein. Es ist auch denkbar, dass die Abtriebseinheit im oberen Bereich der Messsonde angeordnet ist und die Abtriebskraft als eine von oben gegen den Schwimmer drückende Abtriebskraft ausgebildet ist.
Die Messsonde umfasst weiterhin eine Schwimmerdetektionseinrichtung. Die Schwimmerdetektionseinrichtung ist dazu in der Lage, zu erkennen, ob sich der Schwimmer in seiner oberen Messlage befindet. Die Schwimmerdetektionseinrichtung kann insbesondere als jede Art von Positionsdetektor ausgebildet sein. Es ist insbesondere denkbar, dass die Schwimmerdetektionseinrichtung als Lichtschranke ausgebildet ist. Es ist ebenfalls denkbar, dass die Schwimmerdetektionseinrichtung permanent ein Signal aussendet, und dazu in der Lage ist, die Wechselwirkung des Schwimmers mit diesem Signal zu registrieren. Bei einem solchen Signal kann es sich beispielsweise um Schallwellen, insbesondere um Ultraschallwellen, oder um elektromagnetische Signale handeln.
Es ist denkbar, dass die Schwimmerdetektionseinrichtung im unteren Bereich, insbesondere in der Hälfte des Sondengrundkörpers, angeordnet ist. Es ist auch möglich, dass die Schwimmerdetektionseinrichtung in der oberen Hälfte des Sondengrundkörpers angeordnet ist.
Die Messsonde umfasst weiterhin eine Steuerungseinheit. Die Steuerungseinheit ist dabei dazu ausgebildet, den Messvorgang zu starten und/oder die Berechnung der Dichte der Flüssigkeit durchzuführen. Hierzu steht die Steuerungseinheit insbesondere in Signalverbindung mit der Abtriebseinheit und/oder der Schwimmerdetektionseinrichtung.
Die Steuerungseinheit umfasst weiterhin eine Schaltung zum Messen der Auftriebszeit des Schwimmers in Abhängigkeit von den Positionsmessdaten der Schwimmerdetektionseinrichtung.
Die Steuerungseinheit kann weiterhin eine Steuerungsschaltung umfassen, mit der die Auftriebszeit bestimmt werden kann. Weiterhin verfügt die Steuerungseinheit über Mittel, um die Dichte der Flüssigkeit aus den Positionsdaten des Schwimmers und der Auftriebszeit zu berechnen.
Die Steuerungseinheit kann insbesondere Verbindungsdrähte aufweisen, die insbesondere mit der Steuerungselektronik, die außerhalb der Flüssigkeit angeordnet ist, in Verbindung steht. Über diese Steuerungselektronik kann eine Dichtemessung einer Flüssigkeit insbesondere eingeleitet werden.
Die Steuerungseinheit kann mit einer Anzeigevorrichtung in Signalverbindung stehen. Die Anzeigevorrichtung kann insbesondere als digitale Anzeigevorrichtung ausgebildet sein. Die Anzeigevorrichtung kann zur Anzeige der ermittelten Dichte dienen.
Es ist möglich, dass die Steuerungseinheit in drahtloser Signalverbindung mit der Anzeigevorrichtung steht. Es ist insbesondere möglich, dass die Steuerungseinheit die Messdaten über Funk und/oder das Internet an die Anzeigevorrichtung übermittelt. Die Anzeigevorrichtung kann insbesondere räumlich separiert zu der Steuerungseinheit angeordnet sein.
Eine Messsonde mit diesen Merkmalen ist in vorteilhafter Weise besonders einfach und insbesondere sicher zu benutzen. Es ist lediglich nötig, die Messsonde in der Flüssigkeit zu versenken und den Messprozess zu starten. Insbesondere eine Entnahme einer Flüssigkeitsprobe entfällt hierdurch.
Insbesondere wenn es sich bei der Flüssigkeit, deren Dichte es zu bestimmen gilt, um eine Säure, eine Lauge oder allgemein um gesundheitsgefährdende Flüssigkeiten handelt, ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Messsonde besonders sicher. Das Verletzungsrisiko wird signifikant reduziert.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Sonde problemlos in unterschiedlichen Flüssigkeitstiefen positionierbar ist. Hierdurch können eventuelle Dichteunterschiede, die von der Flüssigkeitstiefe abhängen, ermittelt werden. Mögliche Anomalien und insbesondere Inhomogenitäten in der Dichteverteilung der Flüssigkeit können hierbei frühzeitig erkannt und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.
Insbesondere bei stationären Bleiakkumulatoranlagen gibt der Wert der jeweiligen Dichte der Schwefelsäure in den Zellen Aufschluss über den Ladezustand der Zelle. Die Einsatzgebiete von stationären Bleiakkumulatoranlagen sind vielfältig. Zu den bedeutendsten Einsatzstellen solcher Nutzstromenergieanlagen gehören u. a. Krankenhäuser. Eine ständige und unproblematische Überwachung des Ladezustands einer Notstrombatterieanlage ist für solche Einsatzstellen von zentraler Bedeutung.
Durch eine räumlich separierte digitale Anzeigevorrichtung ist es möglich den Ladezustand, und damit den Energiegehalt einer Notstrombatterieanlage stetig zu überwachen. Es ist insbesondere möglich den Energiegehalt der Notstrombatterieanlage zentral zu überwachen. Routinemäßige Kontrollen der Anlage bei denen ein Arbeiter eine Messung direkt an der Anlage durchführen muss entfallen dadurch. Die erfindungsgemäße Messsonde kann ein kosteneffizientes und benutzerfreundliches Überprüfen von Notstrombatterieanlagen ermöglichen.
Eine Messsonde gemäß Anspruch 2 ist besonders vorteilhaft. Über die Ausgestaltung des Schwimmers, zumindest teilweise, aus einem ferromagnetischen Material, insbesondere einem eisenhaltigen Metall, ist es möglich, die Dichte des Schwimmers zielgenau zu beeinflussen. Hierdurch ist es möglich, Schwimmer mit unterschiedlichen Dichten zur Verfügung zu stellen. Insbesondere kann die Dichte des Schwimmers passgenau auf die Dichte der Flüssigkeit abgestimmt werden.
Es ist insbesondere denkbar, dass der Schwimmer in seinem unteren Bereich, insbesondere in seinem unteren Viertel, ein eisenhaltiges Rohr umfasst. Über die Maße des Rohres, insbesondere über dessen Länge und/oder über dessen Durchmesser, ist es möglich, die Dichte des Schwimmers besonders präzise festzulegen.
Das eisenhaltige Rohr kann dabei einen Durchmesser d_R aufweisen, wobei gilt: 2,7 mm ≤ d_R ≤ 4,9 mm, insbesondere 2,9 mm ≤ d_R ≤ 4,7 mm, insbesondere 3,1 mm ≤ d_R ≤ 4,5 mm, insbesondere 3,3 mm ≤ d_R ≤ 4,3 mm, und insbesondere 3,7 mm ≤ d_R ≤ 4,1 mm.
Das ferromagnetische Rohr kann eine Höhe h_R aufweisen, wobei gilt: 7,5 mm ≤ h_R ≤ 22,5 mm, insbesondere 10 mm ≤ h_R ≤ 20 mm und insbesondere 12,5 mm ≤ h_R ≤ 17,5 mm.
Dadurch, dass der Schwimmer zumindest teilweise einen ferromagnetischen Bereich umfasst, ist es möglich, dass der Schwimmer besonders flexibel auf die Schwimmerdetektionseinrichtung reagiert und von dieser besonders einfach erfasst werden kann. Hierdurch verbessert sich zudem die Qualität und die Präzision der Flüssigkeitsdichtemessung.
Eine Messsonde gemäß Anspruch 3 ist besonders einfach zu realisieren. Die Abtriebseinheit ist dabei insbesondere ausgebildet als elektrische Spule. Insbesondere ist es möglich, an diese Spule eine Gleichspannung anzulegen. Die Spule erzeugt aufgrund dieser Gleichspannung ein statisches Magnetfeld.
Die Spule kann insbesondere einen Durchmesser dSp aufweisen, wobei gilt: 7 mm ≤ dSp ≤ 17 mm, insbesondere 8 mm ≤ dSp ≤ 16 mm, insbesondere 9 mm ≤ dSp ≤ 15 mm, insbesondere 10 mm ≤ dSp ≤ 15 mm, insbesondere 10 mm ≤ dSp ≤ 14 mm und insbesondere 11 mm ≤ dSp ≤ 13 mm.
Die Spule kann weiterhin eine Höhe hSp aufweisen, wobei gilt: 7 mm ≤ hSp < 13 mm, insbesondere 8 mm ≤ hSp ≤ 12 mm und insbesondere 9 mm ≤ hSp ≤ 11 mm.
Die Spule kann insbesondere auch eine Windungszahl N aufweisen, wobei gilt: 100 ≤ N ≤ 240, insbesondere 120 ≤ N ≤ 220, insbesondere 140 ≤ N ≤ 200 und insbesondere 160 ≤ N ≤ 180.
Dieses Magnetfeld kann mit dem Schwimmer derart interagieren, dass der Schwimmer gegen die Auftriebskraft der Flüssigkeit nach unten gezogen wird, bis er sich in seiner unteren Messlage befindet.
Die Spule kann insbesondere mit der Steuerungselektronik der Steuerungseinheit in Signalverbindung stehen. Es ist insbesondere denkbar, dass die Spule von der Steuerungseinheit aktiviert und/oder deaktiviert werden kann.
Ein magnetfelderzeugendes Bauelement lässt sich besonders einfach in den Sondengrundkörper einbringen. Die Montage der Messsonde wird dadurch nachdrücklich erleichtert. Weiterhin sind Magnetfelder präzise erzeugbar. Hierdurch ist es möglich, die Abtriebskraft besonders genau einzustellen.
Mit einer Messsonde gemäß dem Anspruch 4 ist eine Positionsbestimmung des Schwimmers auch in intransparenten Flüssigkeiten und/oder in Flüssigkeiten mit hohem Brechungsindex besonders präzise möglich. Die zwei Spulen der Schwimmerdetektionseinheit sind in Auftriebsrichtung im unteren Teil des Sondengrundkörpers, insbesondere in der unteren Hälfte des Sondengrundkörpers, übereinander angeordnet. Die zwei Spulen können identisch ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, dass die zwei Spulen voneinander verschieden ausgebildet sind. Insbesondere ist es denkbar, dass die beiden Spulen zu der oben bereits diskutierten Spule identisch ausgebildet sind.
Die untere der beiden Spulen wird im Folgenden als Signalgeber bezeichnet. Der Signalgeber ist mit einer Wechselspannungsquelle verbunden. Die Wechselspannungsquelle versorgt den Signalgeber mit einer Spannung U_SG, wobei gilt: 1,7 V ≤ U_SG ≤ 2,3 V, insbesondere 1,8 V ≤ U_SG ≤ 2,2 V und insbesondere 1,9 V ≤ U_SG ≤ 2,1 V. Die Wechselspannungsquelle erzeugt eine Wechselspannung mit einer Frequenz f_SG, wobei gilt: 1,7 kHz ≤ f_SG ≤ 2,3 kHz, insbesondere 1,8 kHz ≤ f_SG ≤ 2,2 kHz und insbesondere 1,9 kHz ≤ f_SG ≤ 2,1 kHz.
Die obere Spule wird im Folgenden als Messspule bezeichnet. Die Messspule ist nicht mit einer Spannungsquelle verbunden. Die Messspule kann mit einem Spannungsverstärker und/oder mit einem Relay verbunden sein.
Die Messspule dient dazu, festzustellen, wann sich der Schwimmer in seiner oberen Messlage befindet. Hierzu ist es möglich, dass die Messspule die Magnetantwort des Schwimmers auf das vom Signalgeber erzeugte Wechselmagnetfeld mittels induktiver Kopplung detektieren kann. Es ist insbesondere möglich, dass der Schwimmer in seiner oberen Messlage, durch das Signal des Signalgebers, eine Wechselspannung in der Messspule induzieren kann. Das von der Messspule erzeugte Signal kann im Folgenden durch den Verstärker verstärkt werden. Über das Relay ist die Information, dass sich der Schwimmer in der oberen Messlage befindet, an die Steuerungseinheit weiterleitbar.
Eine Messsonde gemäß Anspruch 5 dient zur besonders präzisen Bestimmung der Dichte der Flüssigkeit. Der Kondensator und der Widerstand, die die Steuerungseinheit aufweist, bilden ein RC-Bauelement aus. Wird an ein solches Bauelement eine elektrische Spannung angelegt, so lädt sich der Kondensator auf. Wird die Spannungsquelle von dem Bauelement getrennt, so entlädt sich der Kondensator über den Widerstand mit einer Entladehalbwertzeit T_H, wobei gilt: 0,1 s ≤ T_H ≤ 5 s, insbesondere 0,5 s ≤ T_H ≤ 4,5 s, insbesondere 0,9 s ≤ T_H ≤ 4 s, insbesondere 1,3 s ≤ T_H ≤ 3,5 s und insbesondere 1,7 s ≤ T_H ≤ 3 s.
Befindet sich die Sonde in der unteren Messlage, so ist der Kondensator maximal geladen. Mit dem Deaktivieren der Abtriebseinheit und dem damit verbundenen Aufsteigen des Schwimmers hin zu seiner oberen Messlage beginnt der Entladevorgang des Kondensators. Wenn der Schwimmer seine obere Messlage erreicht, beendet die Schwimmerdetektionseinrichtung den Entladevorgang des Kondensators. Am Kondensator verbleibt eine Restspannung. Mittels dieser Restspannung kann die Auftriebszeit ermittelt werden.
Die Restspannung des Kondensators kann insbesondere auf der Anzeigevorrichtung angezeigt werden. Durch exakte Abstimmung der erfindungsgemäßen Messsonde kann dieser Spannungswert proportional zur Flüssigkeitsdichte sein. Es ist auch möglich, die Flüssigkeitsdichte direkt mittels der Anzeigeeinheit darzustellen. Auch der Energiegehalt einer Notstromanlage kann direkt mit der Anzeigeeinheit dargestellt werden.
Die Vorteile eines Verfahrens zum Messen der Dichte von Flüssigkeiten nach Anspruch 6 entsprechen denen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die Messsonde bereits erläutert wurden.
Das Verfahren umfasst das Bereitstellen einer Flüssigkeit, deren Dichte bestimmt werden soll, sowie das Versenken einer erfindungsgemäßen Messsonde gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 in der Flüssigkeit.
In einem ersten Messschritt wird dabei die Abtriebseinheit der Messsonde aktiviert, wodurch der Schwimmer aufgrund der von der Abtriebseinheit erzeugten Abtriebskraft nach unten in seine untere Messlage gezogen bzw. gedrückt wird. Nach Ablauf einer, beispielsweise vom Benutzer einstellbaren, Verzögerungszeit wird die Abtriebseinheit deaktiviert. Es ist auch denkbar, dass die Schwimmerdetektionseinrichtung erkennt, wann sich der Schwimmer in seiner unteren Messlage befindet und abhängig davon die Abtriebseinheit deaktiviert. Aufgrund der durch die Flüssigkeit wirkenden Auftriebskraft beginnt der Schwimmer sich nach oben zu seiner oberen Messlage hin zu bewegen.
Dabei kann die Position des Schwimmers erfasst werden. Es ist insbesondere möglich, dass der Schwimmer nur in seiner oberen Messlage erfasst wird. Auch eine kontinuierliche Detektion der Schwimmerposition mit Hilfe der Schwimmerdetektionseinheit ist denkbar.
Gleichzeitig zur Schwimmerposition wird die Schwimmerauftriebsdauer bestimmt. Bei der Schwimmerauftriebsdauer handelt es sich um diejenige Zeit, die der Schwimmer benötigt, um eine gewisse Strecke zurückzulegen. Die Schwimmerauftriebsdauer kann als kontinuierliche Variable, also während des kompletten Aufsteigeprozesses, stetig bestimmt werden. Es ist auch denkbar, dass lediglich ein Zeitpunkt, insbesondere der Zeitpunkt, zu dem der Schwimmer seine obere Messlage erreicht, bestimmt wird.
In einem letzten Schritt wird aus der ermittelten Schwimmerposition und der ermittelten Schwimmerauftriebsdauer die Dichte der Flüssigkeit bestimmt. Bei der Wahl eines geeigneten Koordinatensystems entsprechen die dafür benötigten Gleichungen den Grundgleichungen der klassischen Newtonschen Mechanik.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 7 ist besonders benutzerfreundlich durchzuführen. Mit dem Start des Messvorgangs, also mit dem Absenken des Schwimmers durch die Abtriebseinheit, wird ein Kondensator zumindest teilweise, und insbesondere vollständig, aufgeladen. Dieses Aufladen des Kondensators kann insbesondere gleichzeitig zu dem Absenken des Schwimmers erfolgen. Es ist auch denkbar, dass der Kondensator während der Verzögerungszeit aufgeladen wird. Insbesondere muss ein Benutzer das Aufladen des Kondensators nicht explizit steuern und/oder aktivieren. Das Laden des Kondensators kann insbesondere automatisch erfolgen.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 8 ist besonders präzise. Gleichzeitig mit dem Deaktivieren der Abtriebseinheit wird der Entladevorgang des Kondensators gestartet. Der Start der Kondensatorentladung mit dem Deaktivieren der Abtriebseinheit sorgt dafür, dass zwischen dem Start des Entladevorgangs und der Aufwärtsbewegung des Schwimmers keine zusätzliche Verzögerungszeit mehr besteht. Da der Schwimmer in seiner unteren Messlage in Ruhe ist, da die Summe aller auf den Schwimmer wirkenden Kräfte gleich Null ist, führt ein Deaktivieren der Abtriebseinheit zu einer nahezu sofortigen Aufwärtsbewegung des Schwimmers. Eventuelle Verzögerungszeiten liegen dabei insbesondere mehrere Größenordnungen unter der benötigten Messpräzision.
Das Starten des Entladevorgangs des Kondensators kann mit einer ähnlich geringen Verzögerungszeit gestartet werden. Hierdurch ist der Start der Aufwärtsbewegung und der Start der Kondensatorentladung präzise aufeinander abgestimmt. Die Dichte der Flüssigkeit kann somit ohne signifikante systematische Ungenauigkeiten ermittelt werden.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 9 minimiert den relativen Fehler der Flüssigkeitsdichtemessung. Über den Vergleich der Anfangsspannung am Kondensator und der Restspannung am Kondensator kann die Entladezeit des Kondensators präzise bestimmt werden. Zur Bestimmung der Entladezeit des Kondensators wird die Entladegleichung des Kondensators benötigt. Diese hängt insbesondere von der Eingangsspannung, der Restspannung, der Größe des Widerstands, über den der Kondensator entladen wird, und von der Kapazität des Kondensators ab. All diese elektrischen Größen können im Vorfeld oder direkt während des Messverfahrens präzise bestimmt werden. Anders ausgedrückt ist der relative Fehler all dieser Kenngrößen besonders gering. Dadurch, dass der relative Fehler einer berechneten Messgröße über Fehlerfortpflanzungsrechnungen von den relativen Fehlern der gemessenen Messgrößen abhängt, ist es mit einem solchen Verfahren möglich, die Dichte der Flüssigkeit mit einem besonders niedrigen relativen Fehler zu bestimmen.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 10 ist besonders präzise durchzuführen. Eine magnetische Kraft ist nicht nur sehr präzise einstellbar, bei einem Deaktivieren der Abtriebseinheit baut sich eine magnetische Kraft quasi mit Lichtgeschwindigkeit ab. Hierdurch können besonders niedrige Verzögerungszeiten zwischen dem Deaktivieren der Abtriebseinheit und der Aufwärtsbewegung des Schwimmers realisiert werden. Dies verbessert der Präzision des Verfahrens.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 11 ist besonders flexibel und für eine Vielzahl von verschiedenen Flüssigkeiten durchführbar. Ein zeitlich wechselndes Magnetfeld bietet den Vorteil, dass es nicht optisch und/oder mechanisch mit der Flüssigkeit wechselwirkt. Insbesondere wird ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld nicht durch den Brechungsindex der Flüssigkeit beeinflusst. Ein zeitlich änderndes Magnetfeld wird auch nicht von einer intransparenten Flüssigkeit abgeschirmt.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 12 trägt weiter zur Präzision des Verfahrens bei. Die Magnetantwort des Schwimmers auf das von der Schwimmerdetektionseinrichtung erzeugte zeitliche Wechselmagnetfeld propagiert, wie jede Form von elektromagnetischer Wechselwirkung, mit Lichtgeschwindigkeit. Die Schwimmerdetektionseinrichtung kann die Magnetantwort des Schwimmers also sehr schnell erfassen und an die Steuerungseinheit zur Auswertung der Schwimmerauftriebsdauer übermitteln. Da bei dem Verfahren die Schwimmerposition präzise auf die Schwimmerauftriebsdauer abgestimmt sein muss, sind geringe Verzögerungszeiten der einzelnen Detektoren entscheidend.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung, in der eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung beschrieben wird. Es zeigen:

1 einen Querschnitt durch eine Messanordnung mit einer Flüssigkeit in einem Behälter und einer darin versenkten Messsonde,
2 in vergrößerter Ansicht eine Messsonde und einen Schwimmer, und
3 eine Batterie mit zwei Messsonden und einer Anzeigevorrichtung.

1 zeigt eine Messanordnung 1. Die Messanordnung 1 umfasst ein Gehäuse 2, eine sich darin befindliche Flüssigkeit 3, insbesondere eine elektrolytische Flüssigkeit 3, sowie eine darin versenkte Messsonde 4.
Die Messsonde 4 umfasst den Sondengrundkörper 5, der die Flüssigkeitseintrittsöffnung 8 und den Schließmechanismus 9 aufweist. Der Sondengrundkörper 5 ist mit einer Verbindungsleitung 10 verbunden, die aus der Flüssigkeit hinausführt. In der Verbindungsleitung 10 können die für die Erfindung notwendigen Kabel angeordnet sein. Über die Verbindungsleitung 10 ist der Schwimmer 6 reversibel in der Flüssigkeit 3 versenkbar und aus der Flüssigkeit 3 entnehmbar.
Der Sondengrundkörper 5 umfasst weiterhin den Schließmechanismus 9. Die Verbindungsleitung 10 ist an dem Schließmechanismus 9 befestigt. Der Schließmechanismus 9 ist reversibel von dem Sondengrundkörper 5 entfernbar ausgebildet. Ein Entfernen des Schließmechanismus 9 ermöglicht es, einen Schwimmer 6 im Inneren des Schwimmergrundkörpers 5 anzuordnen.
Neben der Sonde 4 ist weiterhin ein rein schematischer Schwimmer 6 in seiner oberen Messlage 7 dargestellt. Gemäß der Ausführungsvariante nach 1 steht der Schwimmer 6 in seiner oberen Messlage 7 in physischem Kontakt mit dem Schließmechanismus 9 des Sondengrundkörpers 5.
Die Messsonde 4 umfasst weiterhin die Abtriebseinheit 11, die Schwimmerdetektionseinheit 12, 13 und eine nicht in der Figur dargestellte Steuerungselektronik. Die Steuerungselektronik kann über die Verbindung 10 mit der Schwimmerdetektionseinheit 12, 13 und/oder der Abtriebseinheit 11 verbunden sein.
Der Schwimmer 6 umfasst weiterhin ein Stahlrohr 14, das an seinem unteren Ende angeordnet ist.
Die Abtriebseinheit 11 ist in diesem Ausführungsbeispiel als untere Spule ausgebildet. Die untere Spule 11 ist mit einer Gleichspannungsquelle verbunden. Die Schwimmerdetektionseinheit 12, 13 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus der mittleren Spule 12 und der oberen Spule 13.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die drei Spulen als identische Spulen ausgebildet. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Spulen 11, 12, 13 jeweils unterschiedlich ausgebildet sind. Insbesondere ist die mittlere Spule 12 mit einem Signalgeber verbunden. Der Signalgeber legt an die Spule 12 eine Wechselspannung an, wobei diese ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld erzeugt.
Die obere Spule 13 ist mit einem Spannungsverstärker und einem Relay verbunden.
In der oberen Messlage 7 befindet sich das Stahlrohr 14 zumindest teilweise innerhalb der oberen Spule 13. Hierdurch überträgt das Stahlrohr 14 das magnetische Wechselsignal der mittleren Spule 12 auf die obere Spule 13. Dieses Signal kann gemessen und verstärkt werden. Das Signal dient dazu, die Schwimmerauftriebsdauer zu bestimmen.
Von der unteren Messlage in seine obere Messlage hat der Schwimmer 6 die maximal verfügbare Strecke zurückgelegt. Über diese Referenzstrecke und die durch die obere Spule 13 und die nicht dargestellte Auswerteelektronik ermittelte Auftriebsdauer kann die Flüssigkeitsdichte berechnet werden.
2 zeigt eine Messsonde 4 und einen Schwimmer 6 in vergrößerter Ansicht.
Die Messsonde 4 ist hierbei ohne einen darin eingesetzten Schwimmer 6, ohne Flüssigkeitseintrittsöffnung 8 und ohne Abtriebs- bzw. Schwimmerdetektionseinheit 11, 12, 13 dargestellt.
Der Schließmechanismus 9 ist schematisch in geöffneter Position dargestellt. Der Schwimmer 6 ist neben der Messsonde 4 separat dargestellt. Der Schwimmer 6 lässt sich durch den geöffneten Schließmechanismus 9 in den Schwimmergrundkörper 5 einsetzen. Der Sondengrundkörper 5 hat dazu in diesem Ausführungsbeispiel einen Durchmesser, der doppelt so groß ist wie der Durchmesser des Schwimmers 6.
Der Schwimmer 6 ist mit Stahlrohr 14 dargestellt. Unterhalb des Schwimmers 6 ist schematisch die Flüssigkeitseinströmöffnung 8 dargestellt. Insbesondere hat in diesem Ausführungsbeispiel die Flüssigkeitseintrittsöffnung 8 den gleichen Durchmesser wie der Schwimmer 6. In seiner unteren Messlage kann der Schwimmer 6 also mit seinem unteren konischen Ende in die Flüssigkeitseintrittsöffnung 8 hineingleiten und wird in dieser gelagert. Der Schwimmer 6 kann insbesondere nicht durch die Flüssigkeitseintrittsöffnung 8 hindurchgleiten. Es ist insbesondere auch denkbar, dass der Schwimmer 6 einen größeren Durchmesser als die Flüssigkeitseintrittsöffnung 8 aufweist. Hierdurch kann in der unteren Messlage der Schwimmer 6 mit seinem unteren konischen Ende 16 nur teilweise in die Flüssigkeitseintrittsöffnung 8 hineingleiten und wird von dieser nur teilweise gelagert.
3 zeigt eine Verwendung der Messsonde zur Bestimmung der Flüssigkeitsdichte in einer Batterie 17. In der 3 sind zwei Messsonden 4 dargestellt. Die Messsonden 4 befinden sich jeweils in unterschiedlicher Eindringtiefe. Hierdurch ist es insbesondere möglich, Inhomogenitäten der Dichteverteilung der Flüssigkeit 3 festzustellen und dadurch eventuelle Probleme mit der Batterie 17 frühzeitig zu erkennen. Die beiden Messsonden 4 sind jeweils über eine Verbindung 10 mit einem Messgerät 18 verbunden. Das Messgerät 18 kann insbesondere eine Anzeigevorrichtung aufweisen, um die Dichte der Flüssigkeit 3 und insbesondere den Ladezustand der Batterie 17 direkt an einen Benutzer auszugeben.

Claims

Messsonde (4) zur Bestimmung der Dichte von Flüssigkeiten (3), umfassend: 1.1. einen Sondengrundkörper (5) mit einer Flüssigkeitseintrittsöffnung (8), 1.2. einen in dem Sondengrundkörper (5) angeordneten Schwimmer (6), 1.3. eine Abtriebseinheit (11) zur Erzeugung einer Abtriebskraft auf den Schwimmer (6), 1.4. mindestens eine Schwimmerdetektionseinrichtung (12, 13) zur Bestimmung der Schwimmerposition und 1.5. mindestens eine Steuerungseinheit, die mit der Abtriebseinheit (11) und/oder der Schwimmerdetektionseinrichtung (12, 13) in Signalverbindung steht und dazu ausgebildet ist, die Flüssigkeitsdichte zu berechnen.
Messsonde (4) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmer (6) zumindest teilweise einen ferromagnetischen Bereich umfasst.
Messsonde (4) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebseinheit (11) als magnetfelderzeugendes Bauelement ausgebildet ist.
Messsonde (4) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwimmerdetektionseinheit (12, 13) zwei Spulen umfasst.
Messsonde (4) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit einen Kondensator und einen Widerstand umfasst, die ein RC-Bauelement mit einer Entladehalbwertzeit T_H ausbilden, wobei gilt: 0,1 s ≤ T_H ≤ 5 s.
Verfahren zum Messen der Dichte von Flüssigkeiten (3) umfassend die folgenden Schritte: 6.1. Bereitstellen einer Flüssigkeit (3), 6.2. Versenken mindestens einer Messsonde (4) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 in der Flüssigkeit (3), 6.3. Ausüben einer Abtriebskraft auf den Schwimmer (6) mit der Abtriebseinheit (11), 6.4. Deaktivieren der Abtriebseinheit (11) nach einer Verzögerungszeit, 6.5. Detektieren der Position des Schwimmers (6) mit der Schwimmerdetektionseinheit (12, 13), 6.6. Detektieren der Schwimmerauftriebsdauer mit der Steuerungseinrichtung und 6.7. Berechnen der Dichte der Flüssigkeit (3) aus den ermittelten Zustandsdaten des Schwimmers (6).
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator zumindest teilweise geladen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator mit dem Deaktivieren der Abtriebseinheit (11) zumindest teilweise entladen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwimmerauftriebsdauer über die Restspannung des Kondensators ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Abtriebseinheit (11) eine magnetische Kraft erzeugt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwimmerdetektionseinrichtung (12, 13) ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld erzeugt.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwimmerdetektionseinrichtung (12, 13) die Magnetantwort des Schwimmers (6) erfasst.