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Dokumentenidentifikation DE102005035045B4 16.05.2007
Titel Messvorrichtung für die Bestimmung von Durchflussmengen elektrisch leitender Flüssigkeiten, Messelement und Verfahren
Anmelder BRITA GmbH, 65232 Taunusstein, DE
Vertreter Fuchs, Mehler, Weiß & Fritzsche, 65201 Wiesbaden
DE-Anmeldedatum 27.07.2005
DE-Aktenzeichen 102005035045
Offenlegungstag 08.02.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 16.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.05.2007
IPC-Hauptklasse G01F 1/64(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01F 1/52(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G01F 23/24(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B01D 35/143(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Messvorrichtung zur Bestimmung von Durchflussmengen dV(z) elektrisch leitender Flüssigkeiten mit der Leitfähigkeit LF durch einen Behälter bei sich in vertikaler Richtung (z-Richtung) verändernden Füllstandshöhen mit

  • – einem eine Bodenwand und Zu- und Ablauf aufweisenden Behälter und mit
  • – einer Leitfähigkeitsmesseinrichtung, die folgende Komponenten umfasst:

    • eine Spannungsquelle

    • eine Auswerteeinrichtung und

    • mindestens ein Messelement,

    • das im Behälter angeordnet ist und an die Auswerteeinrichtung angeschlossen ist und

    • das mindestens zwei sich in z-Richtung erstreckende Elektroden aufweist, die senkrecht zur z-Richtung beabstandet zueinander angeordnet sind, wobei z die Entfernung vom unteren ersten Elektrodenende (z = 0) zum oberen zweiten Elektrodenende bezeichnet.

Die Erfindung betrifft auch ein Messelement für die Bestimmung eines füllstandshöhenabhängigen Messwertes elektrisch leitender Flüssigkeiten mit mindestens einer lang gestreckten Elektrode sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Gesamtdurchflussmenge dV gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 30.

Die Messung von Füllstandshöhen wird überall dort durchgeführt, wo Flüssigkeitsvolumina bzw. Änderungen der Flüssigkeitsvolumina zu ermitteln sind. Die Messung der Füllstandshöhen erfolgt üblicherweise mittels Elektroden, die in die Flüssigkeit teilweise eintauchen. Über eine geeignete Messanordnung wird der Widerstand bzw. die elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit gemessen, die u. a. proportional der Füllstandshöhe bzw. des Flüssigkeitsvolumens ist.

Hierbei wird die physikalische Beziehung LF = &dgr;0·ZK·V ausgenutzt, wobei LF die elektrische Leitfähigkeit, &dgr;0 die spezifische Leitfähigkeit der Flüssigkeit, V das Volumen der Flüssigkeit und ZK die so genannte Zellkonstante bezeichnen, die sich aus dem Verhältnis des Elektrodenabstandes und der benetzten Elektrodenfläche berechnet.

Da die spezifische Leitfähigkeit &dgr;0 die Steigung der Messkurve beeinflusst, muss vor der Füllstandsmessung zunächst eine Kalibriermessung zur Ermittlung dieser jeweiligen spezifischen Leitfähigkeit durchgeführt werden. Dieser Vorgang erfordert einen zusätzlichen Aufwand, der möglichst vermieden werden soll.

Aus der DE 197 26 044 A1 ist ein Flüssigkeitsstandsanzeiger, insbesondere für Pflanzgefäße bekannt, der einen langgestreckten Stab mit mindestens zwei gegeneinander isolierten Elektroden und eine elektronische Schaltung umfasst, die mit den Elektroden über in dem Stab verlaufende Leiter verbunden und von einer Gleichspannungsquelle gespeist ist. Eine Anzeigeeinrichtung gibt den Flüssigkeitsstand an. Dieser Füllstandsanzeiger erfordert mehrere Elektroden, die in unterschiedlichen Höhen angeordnet sind. Jede Elektrode ist mit einem eigenen Leiter mit der elektronischen Schaltung verbunden. Dies erfordert einen entsprechend hohen Installationsaufwand.

In der DE 40 42 257 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung von Füllstand und Pegelhöhen von elektrisch leitenden Flüssigkeiten beschrieben. Hierzu wird beispielsweise eine Widerstandskette verwendet, die vertikal in die Flüssigkeit eintaucht. Aus der Messung des Widerstandes der Gesamtanordnung lässt sich ermitteln, wie viele Widerstände oberhalb des Flüssigkeitsspiegels liegen oder, was gleichbedeutend ist, in welcher Tiefe der Flüssigkeitsspiegel liegt, da die Metallflächen längs des Pegels in einem engen und konstanten Abstand angebracht sind. Auch diese Anordnung ist aufwändig und vermittelt lediglich diskrete Werte des Füllstandes.

Aus der DE 30 18 718 ist eine Füllstandselektrodenvorrichtung bekannt, die ebenfalls einzelne Füllstandselektroden aufweist, die an einem Träger in Trägerlängsrichtung stufenlos verschiebbar angeordnet sind.

Aus der JP 08050047 A ist eine Elektrodenanordnung mit mehreren Elektroden bekannt, mit der der elektrische Widerstand der Flüssigkeit zur Bestimmung der Füllstandshöhe gemessen wird.

Aus der JP 2004077439 A ist eine Messelektrode zur Bestimmung des Flüssigkeitsstandes bekannt, die eine konische oder halbkugelförmige Ausgestaltung aufweist. Der kleine Durchmesser der Elektrode befindet sich am unteren Abschnitt und der große Durchmesser der Elektrode am oberen Ende.

Füllstandsmessungen werden insbesondere auch in Wasserfiltereinrichtungen durchgeführt, wobei die Füllstandsmessungen zur Bestimmung der Erschöpfung des Filtermittels der Filterkartusche herangezogen werden. Eine solche Erschöpfungsanzeige ist beispielsweise aus der EP 1 484 097 A1 bekannt. Diese Erschöpfungsanzeige basiert auf Widerstandsmessungen der Flüssigkeit mit zwei Elektroden, die im Wasserbehälter übereinander angeordnet sind oder die sich im Zulaufkanal befinden. Diese Vorrichtung hat den Nachteil, dass bei wechselnder Wasserqualität Kalibriermessungen erforderlich sind.

Aus der WO 01/74719 ist ebenfalls eine Erschöpfungsanzeige bekannt, bei der mehrere Elektroden zum Einsatz kommen, die in die Flüssigkeit eintauchen. An der Wasserfiltereinrichtung ist eine Auswerteeinheit zur Ermittlung der erfassten Füllvolumina über eine bestimmte Zeitdauer angeordnet, die wiederum mit einer Anzeigeeinheit, der so genannten Erschöpfungsanzeige, verbunden ist. Bei solchen Wasserfiltereinrichtungen wird Rohwasser in den Einlauftrichter eingefüllt, das durch die Filterkartusche nach unten abläuft und in einer unteren Kammer als gefiltertes Wasser gesammelt wird. Durch den abwechselnden Zulauf und Ablauf des Rohwassers ändert sich der Füllstand während der Lebensdauer einer Filterkartusche vielfach, so dass aus diesen Füllstandsänderungen auf die durch die Filterkartusche geströmte Flüssigkeitsmenge geschlossen werden kann. Anhand der Flüssigkeitsmenge wird über die Erschöpfungsanzeige eine Aussage über die Erschöpfung des Filtermittels gemacht.

Die DE-OS 1 798 256 beschreibt die Messung von Durchflussmengen in einem sogenannten Fließgerinne, d. h. einem flüssigkeitsdurchströmten Kanal. Es werden unterschiedliche Messsonden beschrieben, u. a. auch eine Messsonde mit einer Fläche mit krummliniger Begrenzung. Der exponentielle Zusammenhang zwischen Füllhöhe und Durchflussmenge wird bei der Ausgestaltung der Messsonde berücksichtigt.

Die DE 35 28 624 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen der Durchflussmenge einer Flüssigkeit, wobei die Höhe eines Spiegels der Flüssigkeit in einem stromaufwärtigen Raum eines von der Flüssigkeit durchströmten Überlaufs gemessen wird. Der Überlauf ist durch eine sich nach oben exponentiell verbreiternde Durchflussöffnung gekennzeichnet. Ein Messelement mit einer Elektrode wird nicht beschrieben.

Die EP 0 152 644 A2 beschreibt insgesamt 3 Ausführungen eines Kapazitätsmessgerätes. Die beiden Elektroden besitzen gemäß einer der Ausführungsformen unterschiedlich große Flächen, wobei die Elektrodenfläche der Referenz-Elektrode auch dreieckförmig ausgebildet sein kann. Die spezielle dreieckförmig ausgebildete Elektrodenfläche kann an ihrer geneigten Seite auch gestuft ausgebildet sein.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Messvorrichtung bereitzustellen, die einfach aufgebaut ist und die Kalibriermessungen bezüglich der spezifischen Leitfähigkeit der Flüssigkeit überflüssig macht. Es ist auch Aufgabe, ein einfach aufgebautes und handhabbares Messelement und ein Messverfahren anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit einer Messvorrichtung gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Leitfähigkeitsmesseinrichtung in zeitlichen Abständen

ti – ti-1 mit i = 1 ... n Messwerte liefert,

dass mindestens der Behälter (5) und/oder die Leitfähigkeitsmesseinrichtung derart ausgelegt ist/sind, dass er/sie durch mindestens eine von V(z) abhängige Parameterfunktion beschreibbar ist/sind, so dass gilt: wobei bM eine Zahl ≠ 0 und ≠ 1 ist,

und dass die Auswertevorrichtung mindestens zur Quotientenbildung der Messwerte und zum Logarithmieren der Quotienten ausgebildet ist.

Die z-Richtung wird senkrecht zum Flüssigkeitsspiegel im Flüssigkeitsbehälter gewählt.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass zur Bestimmung von Durchflussmengen elektrisch leitender Flüssigkeiten durch einen Behälter weder der Wert der Leitfähigkeit der Flüssigkeit bekannt sein muss noch der Absolutwert der Höhe des Flüssigkeitsspiegels bestimmt werden muss, wenn durch die konstruktive Gestaltung der Messvorrichtung ein exponentieller Zusammenhang zwischen dem Messwert und dem Volumen V(z) der Flüssigkeit im Behälter hergestellt wird.

Es hat sich gezeigt, dass es hierfür verschiedene konstruktive Lösungen gibt, die sich in allgemeiner Form durch Parameterfunktionen darstellen lassen.

Unter einer Parameterfunktion (I beschreibt den Laufindex, d. h. usw.) wird ein Konstruktionsparameter verstanden, der eine funktionelle Abhängigkeit von V(z) und damit von z aufweist. Beispiele solcher Parameter Pl sind jeweils in Abhängigkeit von z die Behälterform, die Elektrodenform, der Abstand der Elektroden und die Eigenschaften des Elektrodenmaterials.

Wenn, wie dies im Stand der Technik der Fall ist, alle Parameter Pl einen linearen Zusammenhang aufweisen, z. B. der Behälter ein Zylinder ist, der Abstand der Elektroden konstant gewählt ist, die Fläche der Elektroden konstant ist und das Elektrodenmaterial über die gesamte Länge einheitlich gewählt wird, sind zur Bestimmung der Durchflussmengen sowohl die Kenntnis der Leitfähigkeitswerte der Flüssigkeit als auch die der absoluten Füllstandshöhe erforderlich.

Es hat sich gezeigt, dass mindestens eine Parameterfunktion eine exponentielle Abhängigkeit aufweisen muss, um sowohl von der Kenntnis der Leitfähigkeit der Flüssigkeit als auch von der Kenntnis der absoluten Füllstandshöhe unabhängig zu werden.

In allgemeiner Form lässt sich der Zusammenhang für vier Parameterfunktionen in einer Matrix darstellen, wobei mit „beliebig" eine beliebige funktionale Abhängigkeit gemeint ist, wobei allerdings eine Funktion, insbesondere eine logarithmische Funktion, ausgeschlossen ist, die gegebenenfalls die exponentielle Abhängigkeit einer anderen Parameterfunktion aufheben könnte.

Es können auch mehr als eine Parameterfunktion einen exponentiellen oder teilexponentiellen Zusammenhang aufweisen. Hierbei ist zu beachten, dass sich für M(V(z)) in Abhängigkeit von V(z) und damit von z ein exponentieller Zusammenhang einstellt.

Der Vorteil des exponentiellen Zusammenhangs besteht darin, dass sich bei einem Anstieg des Füllvolumens um einen bestimmten Betrag der Messwert jeweils um den gleichen Faktor ändert mit der Folge, dass bei der Bestimmung von Volumenänderungen der jeweilige Leitfähigkeitswert der Flüssigkeit sowie die beiden Höhen des Flüssigkeitsspiegels, zwischen denen die Volumenänderung stattfindet, keine Rolle spielen.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass für mindestens eine Parameterfunktion gilt:

Der Basiswert ist derart zu wählen, dass sich geringe Volumenänderungen der Flüssigkeit auch in einer signifikanten Änderung der Messwerte bemerkbar machen. Die Wahl des Basiswertes hängt auch davon ab, in welcher Einheit z gemessen wird. Alle Angaben beziehen sich immer auf z gemessen in cm, auch wenn dies nachfolgend nicht ausdrücklich erwähnt wird.

Dementsprechend sind Flächen in cm2 und Volumen in cm3 zu berücksichtigen.

Es ist bevorzugt, im Bereich von insbesondere von zu wählen mit

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Parameter Pl die Fläche A mindestens einer Elektrode. A(V(z)) ist die mit der Flüssigkeit benetzte leitende Elektrodenfläche, die sich mit steigendem oder fallendem Volumen gemäß ihrer konstruktiven Ausgestaltung verändert. Für die Fläche A gilt In diesem Fall können die übrigen Parameterfunktionen, wie z. B. die Parameterfunktion, die die Behälterform beschreibt, einen linearen Zusammenhang aufweisen. Insofern kann beispielsweise der Flüssigkeitsbehälter ein Zylinder, Würfel oder Quader sein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Parameter Pl die das Füllvolumen bestimmende Behälterform F, für die gilt: Die Funktion F(V(z)) reduziert sich vorzugsweise auf eine Funktion des Querschnittes Q(z), wobei ist.

Beispielsweise in einem Flüssigkeitsbehälter mit kleinerer Querschnittsfläche führen geringe Volumenänderungen zu einer deutlichen Änderung in der Füllstandshöhe, so dass bF klein gewählt werden kann, z. B. im Bereich kleiner 2,5.

Bei Behältern mit großer Querschnittsfläche sind die Verhältnisse umgekehrt. Um eine entsprechende Messgenauigkeit bei einer vergleichbaren Volumenänderung zu erzielen, ist daher bF größer zu wählen, z. B. größer 2,5.

Wenn die Funktion F(V(z)) einen exponentiellen Zusammenhang aufweist, kann beispielsweise die Elektrodenfläche eine lineare Abhängigkeit von z aufweisen, d. h. die Elektroden besitzen über ihre gesamte Erstreckung in z-Richtung eine konstante Breite.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Parameter Pl der Abstand D der Elektroden, wobei für den Abstand D gilt:

In diesem Fall können die Parameterfunktionen bezüglich der das Füllvolumen bestimmenden Behälterform F(V(z)) und/oder der Fläche der Elektrode A(V(z)) und/oder andere Parameterfunktionen z. B. einen linearen Zusammenhang aufweisen.

Eine exponentielle Abhängigkeit kann auch das Material der Elektroden aufweisen, indem sich die Materialeigenschaften, wie z. B. die Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials, in Abhängigkeit von z exponentiell ändern.

Vorzugsweise weist das Messelement eine Trägerplatte auf, wobei die beiden Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten der Trägerplatte angeordnet sind. Die Elektroden werden bei der Herstellung des Messelementes bereits positioniert, wodurch der Einbau des Messelementes in den Flüssigkeitsbehälter vereinfacht wird. Eine Justierung der beiden Elektroden zur Einstellung einer vorgegebenen Größe der Messzelle entfällt.

Vorzugsweise ist das Messelement derart im Flüssigkeitsbehälter angeordnet, dass sich das breite zweite Elektrodenende oben befindet.

Dadurch wird eine mit steigendem Füllvolumen ansteigende Messkurve realisiert.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform kann das Messelement in die Wand des Flüssigkeitsbehälters integriert sein. In diesem Fall ist es bevorzugt, die beiden Elektroden beabstandet in der Wand des Flüssigkeitsbehälters anzuordnen, oder diese Elektroden gegenüberliegend anzubringen.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist der Flüssigkeitsbehälter ein Einlauftrichter einer Wasserfiltereinrichtung. Bei derartigen Einlauftrichtern wird die Flüssigkeit in der Regel von oben zugeführt. Die Ablauföffnung befindet sich in der Bodenwand des Einlauftrichters, wo auch ein Filterelement, z. B. eine Filterkartusche, angeordnet ist. Die Ermittlung der Durchflussmenge kann gemäß einer besonderen Verwendung der Messvorrichtung zur Ermittlung des Zeitpunkts für den Austausch der Filterkartusche und insofern als Volumenbelastungsmessvorrichtung für Filterkartuschen verwendet werden.

Die Auswerteeinrichtung kann an einer Anzeigeeinheit angeschlossen sein. Diese Anzeigeeinheit kann bei Verwendung der Messvorrichtung als Volumenbelastungsmessvorrichtung für Filterkartuschen eine Anzeigeeinheit sein, die dem Benutzer den Austauschzeitpunkt für die Filterkartusche anzeigt.

Das erfindungsgemäße Messelement für die Bestimmung eines füllstandshöhenabhängigen Messwertes elektrisch leitender Flüssigkeiten mit mindestens einer lang gestreckten Elektrode sieht vor, dass die Fläche A der Elektrode mit zunehmendem Abstand z vom ersten Elektrodenende zum zweiten Elektrodenende exponentiell zunimmt, wobei die Breite der Elektrode sich in Stufen ändert. Die Einhüllende der Stufen weist den beschriebenen exponentiellen Zusammenhang aufweist. Diese Ausgestaltung führt zu entsprechenden Sprüngen in der Messkurve, die bei entsprechender Auslegung der an das Messelement angeschlossenen Auswerteeinrichtung zur Bestimmung der absoluten Füllstandshöhen herangezogen werden können.

Es gilt mit B(z) Breite der Elektrode in Abhängigkeit von z. Daraus folgt, dass auch für B(z) ein exponentieller Zusammenhang gilt

Für gilt vorzugsweise wobei ein bevorzugter Bereich für der Bereich zwischen 1 und ist.

Dies gilt jeweils für den Fall, dass z in cm gemessen wird. Für andere Einheiten für z ist die Basis entsprechend anzupassen.

Die Breite B1 am ersten Elektrodenende beträgt vorzugsweise 0,1 mm bis 20 mm. Die Breite B2 am zweiten Elektrodenende liegt bei vorzugsweise 5 mm bis 30 mm.

Am ersten Elektrodenende ist ein sich senkrecht zur Elektrodenachse erstreckender balkenartiger Elektrodenabschnitt angeordnet. Diese balkenartige Verbreiterung dient dazu, einen definierten Anfangsmesswert zur Verfügung zu stellen.

An einem der beiden Elektrodenenden ist ein Kontaktelement vorgesehen. Hierbei wird das Kontaktelement vorzugsweise an dem oberen Elektrodenende angebracht, das aus der Flüssigkeit herausragt.

Die Elektroden können aus einem Metall, einer Metalllegierung, einem elektrisch leitenden Kunststoff oder einem sonstigen elektrisch leitenden Material bestehen.

Um die Handhabung der Elektrode zu erleichtern, ist mindestens eine Elektrode auf einem Trägerelement angeordnet.

Das Messelement kann auch in die Wand eines Flüssigkeitsbehälters integriert sein. In diesem Fall bildet die Wand des Flüssigkeitsbehälters das Trägerelement.

Wenn das Trägerelement ein eigenständiges Bauteil darstellt, ist die Gestalt einer Platte bevorzugt, auf deren beiden gegenüberliegenden Seiten jeweils eine Elektrode angeordnet sein kann. Das elektrische Feld zwischen beiden Elektroden verläuft um das Trägerelement herum.

Vorzugsweise sind beide Elektroden identisch ausgebildet.

Die Trägerplatte weist vorzugsweise einen Doppel-T-Querschnitt auf, was den Vorteil einer großen Stabilität hat und somit eine Beschädigung der Elektrode bei mechanischer Beanspruchung des Messelementes verhindert.

Die Trägerplatte weist vorzugsweise benachbart zum ersten Elektrodenende zwei Füße auf, die dazu dienen, einen definierten Abstand zum Boden des Flüssigkeitsbehälters herzustellen. Es wird dadurch ein elektrisches Anfangsfeld gebildet, das sich unter dem Messelement hindurch erstreckt. Bei niedrigen Flüssigkeitsständen im Behälter befindet sich das Anfangsfeld immer noch vollständig im Innern der Flüssigkeitssäule.

Es ist von Vorteil, wenn sowohl die Elektroden als auch die Trägerplatte aus Kunststoff bestehen. Hierfür wird für die Elektroden ein elektrisch leitender Kunststoff und für die Trägerplatte ein nicht leitender Kunststoff gewählt. Das Messelement kann auf diese Weise als Zweikomponentenspritzgussteil preiswert hergestellt werden.

Das Verfahren zur Bestimmung der Gesamtdurchflussmenge elektrisch leitender Flüssigkeiten mit der Leitfähigkeit LF durch einen Behälter bei sich in vertikaler Richtung (z-Richtung) verändernden Füllstandshöhen mittels eines Behälters und einer Leitfähigkeitsmesseinrichtung ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

  • – Auslegung mindestens des Behälters und/oder der Leitfähigkeitsmesseinrichtung, dass er/sie durch mindestens eine von V(z) abhängige Parameterfunktion beschreibbar ist/sind,
  • – Abstimmung der mindestens einen Parameterfunktion derart, dass für die von der Leitfähigkeitsmesseinrichtung gelieferten Messwerte
  • – Durchführung einer Messung zur Bestimmung der Basis bM,
  • – Ermittlung von Messwerten in zeitlichen Abständen ti – ti-1 mit i = 1 ... n,
  • – Quotientenbildung und Logarithmieren des Quotienten zur Ermittlung von dVi und
  • – Addition der n-Werte dVi zur Bestimmung der gesamten Durchflussmenge dV.

Die Messung zur Bestimmung der Basis bM für das jeweilige System wird in der Regel einmalig mit vorgegebenen Flüssigkeitsmengen durchgeführt, und zwar bevor die Ermittlung der Messwerte beginnt. Der Wert der Basis bM wird somit einmal bestimmt und dann der Berechnung der Messwerte zugrunde gelegt. Der Wert bM geht beim Logarithmieren des Quotienten in die Ermittlung von dVi ein.

Vorzugsweise werden während des Betriebs der Vorrichtung, in die die Messeinrichtung eingebaut ist, die Messwerte in zeitlichen Abständen von 1 bis 100 sec ermittelt. Welche zeitlichen Abstände zweckmäßig sind, ergibt sich unter anderem auch aus der Häufigkeit der Benutzung und aus der Druckflussgeschwindigkeit der jeweiligen Vorrichtung. Wenn es sich bei der betreffenden Vorrichtung um eine Wasserfiltereinrichtung handelt, hängt dies u. a. stark davon ab, wie viel gefiltertes Wasser vom Benutzer benötigt wird. Als bevorzugte zeitliche Abstände sind 1 bis 20 sec, insbesondere 2 bis 10 sec, vorgesehen.

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform,

2 die Draufsicht auf ein Messelement gemäß einer ersten Ausführungsform,

3 einen Horizontalschnitt durch das in 2 gezeigte Messelement längs der Linie III-III,

4 einen Vertikalschnitt durch das in 2 gezeigte Messelement längs der Linie IV-IV,

5a, b Draufsichten auf Messelemente gemäß zweier weiterer Ausführungsformen,

6 einen Flüssigkeitsbehälter mit integrierter Elektrode,

7 eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform,

8 einen vertikalen Schnitt durch eine Wasserfiltereinrichtung mit Messvorrichtung,

9 eine schematische Darstellung des Messprinzips und

10 ein Diagramm, in dem der Messwert in Abhängigkeit vom Volumen für drei Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Leitfähigkeit aufgetragen ist.

In der 1 ist eine Messvorrichtung 10 gemäß einer ersten Ausführungsform schematisch dargestellt. Die Messvorrichtung 10 umfasst eine Leitfähigkeitsmesseinrichtung 10a, die ein Messelement 20 aufweist, das im Innern eines Flüssigkeitsbehälters 5 angeordnet ist. Der Flüssigkeitsbehälter 5 besitzt eine Umfangswand 6a und eine Bodenwand 6b, wobei im oberen Bereich der Umfangswand 6a ein Flüssigkeitszulauf 7a und im unteren Bereich ein Flüssigkeitsablauf 7b angeordnet ist. Sowohl die zugeführte als auch die abgeführte Flüssigkeitsmenge ändern sich im Laufe der Zeit, so dass sich der Flüssigkeitsspiegel 40 der Flüssigkeit 41 im Behälter 5 ebenfalls ständig ändert (s. Doppelpfeil). Zur Messung der durch den Behälter 5 fließenden Flüssigkeitsmenge ist die Messvorrichtung 10 vorgesehen.

Das Messelement 20 der Messvorrichtung 10 weist eine Trägerplatte 21 auf, die an Vorder- und Rückseite jeweils eine Elektrode 30a, 30b besitzt. Bei der Anordnung der Trägerplatte 21 mit den Elektroden 30a, 30b ist darauf zu achten, dass bei vollständiger Befüllung des Behälters weder die Elektroden vollständig noch die elektrischen Anschlüsse überhaupt eintauchen. Der maximal zulässige Flüssigkeitsspiegel ist mit 42 gekennzeichnet. In der 1 ist lediglich die auf der Vorderseite angebrachte Elektrode 30a zu sehen. Die nicht dargestellte Elektrode 30b auf der Rückseite des Messelementes ist identisch ausgebildet. Es handelt sich hierbei um Elektroden 30a, 30b, deren Breite von unten nach oben zunimmt, wobei die Breite der Elektrode einer exponentiellen Funktion in Abhängigkeit des Abstandes z vom unteren oder ersten Elektrodenende 31 gehorcht. Der funktionale Zusammenhang zwischen A(V(z)) und z ist zunächst über gegeben, was in einer exponentiellen Verbreiterung der Elektroden resultiert, nämlich oder Breite Die z-Achse ist im rechten Teil der 1 dargestellt, wobei der Nullpunkt der z-Achse am unteren Ende 31 der Elektroden 30a, 30b liegt. Der Abstand des unteren Endes der Elektrode 30a, 30b zur Bodenwand 6 ist mit a gekennzeichnet. Das Flüssigkeitsvolumen in diesem Bereich wird bei der Auswertung durch einen Festbetrag berücksichtigt.

Die beiden Elektroden 30a, 30b sind über eine Verbindungsleitung 11 mit einer Auswerteeinrichtung 12 verbunden, die an eine Anzeigeeinheit 13 angeschlossen ist.

Mit der Messvorrichtung 10 wird eine Leitfähigkeitsmessung an der Flüssigkeit 41 durchgeführt, wobei die Messung und Auswertung kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen kann. Die elektrischen Feldlinien zwischen den beiden Elektroden 30a und 30b sind durch das Bezugszeichen 36 angedeutet.

In der 2 ist die Draufsicht auf das Messelement 20 vergrößert dargestellt. Das Messelement 20 besteht aus einer Trägerplatte 21 und zwei Messelektroden 30a, b. Die Trägerplatte 21 selbst besteht aus einer Mittelplatte 24 und zwei am Rand angeordneten T-Schenkeln 25a, b, wie dies in 3 zu sehen ist. Dadurch erhält die Trägerplatte 21 im Querschnitt die Gestalt eines Doppel T. Am unteren Ende besitzt die Mittelplatte 24 eine Aussparung 23, wobei die T-Schenkel nach unten verlängert sind und Füße 22a, b bilden.

Auf den beiden Seiten der Mittelplatte 24 sind identische Elektroden 30a, b angeordnet, die bis auf eine Verbreiterung am oberen Ende in sich symmetrisch sind. Jede Elektrode 30a, b besitzt ein schmales erstes Elektrodenende 31 und ein breites zweites Elektrodenende 32, wobei das erste Elektrodenende 31 unten angeordnet ist und das zweite Elektrodenende 32 den Bereich des maximal zulässigen Flüssigkeitsspiegels 42 bezeichnet. Hierbei zeigt die 2 die Einbaulage im Flüssigkeitsbehälter 5 der 1.

Die Breite B der Elektrode 30a nimmt mit zunehmendem Abstand z vom ersten Elektrodenende 31 zum zweiten Elektrodenende 32 kontinuierlich zu. Für die Breite B gilt die Beziehung B(z) proportional

Am ersten Elektrodenende 31 weist die Elektrode 30a senkrecht zu ihrer Längsachse eine balkenartige Verbreiterung 35 auf. Diese balkenartige Verbreitung 35 dient dazu, die Größe des Start-Messwertes zu definieren. Dies gilt auch für die Elektrode 30b.

An das zweite Elektrodenende 32 schließt sich ein Kontaktelement 33 an, auf dem eine Kontaktpille 34 beispielsweise aus Silikon mit Graphit aufgebracht ist. Das Kontaktelement 33 ist an die Größe der Kontaktpille 34 angepasst und erstreckt sich seitlich über die Elektrode hinaus. Die Kontaktpille 34 dient als Anschlusselement für die elektrische Verbindungsleitung 11, die zur Auswerteeinrichtung 12 führt, wie dies in der 1 dargestellt ist.

In der 3 ist ein Schnitt längs der Linie III-III durch das in 2 gezeigte Messelement 20 dargestellt. Es ist zu sehen, dass auf beiden Seiten der Mittelplatte 24 Elektroden 30a, b angeordnet sind.

In der 4 ist ein Vertikalschnitt längs der Linie IV-IV durch das in 2 gezeigte Messelement dargestellt. Die Trägerplatte 21 besteht aus nicht leitendem Kunststoff, während die Elektroden 30a, b aus leitendem Kunststoff hergestellt sind. Es ist dadurch möglich, das Messelement 20 als Zweikomponentenspritzgussteil herzustellen.

In der 5a ist eine weitere Ausführungsform des Messelementes 20 dargestellt, die sich von der Ausführungsform gemäß 2 dadurch unterscheidet, dass die Elektroden 30a, 30b (30b auf der Rückseite, daher nicht sichtbar) in sich asymmetrisch ausgeführt sind und eine gerade und eine exponentielle Begrenzungslinie aufweisen.

In der 5b ist eine weitere Modifikation zu sehen, die eine gestufte Elektrode 30a zeigt. Die Einhüllende 37 der einzelnen Stufen 38 entspricht der rechten Begrenzungslinie der Elektrode 30a in 5a und zeigt ebenfalls einen exponentiellen Verlauf.

In der 6 ist eine weitere Ausführungsform der Messvorrichtung 10 dargestellt, die sich von der in 1 dadurch unterscheidet, dass die Elektroden 30a, 30b in der Wand 6a des Flüssigkeitsbehälters 5 gegenüberliegend angeordnet sind und dass der Flüssigkeitszulauf 7a nicht in der Umfangswand sondern in der Deckwand angeordnet ist. Die Umfangswand 6a übernimmt bei dieser Ausführungsform die Funktion der Trägerplatte 21 gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Der maximal zulässige Flüssigkeitsspiegel 42 ist derart gewählt, dass das Kontaktelement 33 der Elektroden mit den Anschlüssen nicht eintaucht.

In der 7 ist eine weitere Ausführungsform der Messvorrichtung 10 dargestellt. Während gemäß der Ausführungsform der 1 der Flüssigkeitsbehälter 5 eine quaderförmige Gestalt aufweist, so dass die Funktion F(V(z)) einer Geraden gehorcht, verjüngt sich der Flüssigkeitsbehälter 5 gemäß der 7 nach oben. Die Seitenwand 6a ist exponentiell gekrümmt, so dass die Funktion F(z), die den Querschnitt des Flüssigkeitsbehälters 5 beschreibt, einer Exponentialfunktion gehorcht. Es gilt F(V(z))~F(z)~bF –z. In diesem Fall kann das Messelement 20 mit Elektroden 30a, 30b ausgestattet sein, die in z-Richtung eine konstante Breite aufweisen.

In der 8 ist eine Wasserfiltereinrichtung 1 im Vertikalschnitt dargestellt, die eine Kanne 2 mit Griff 3 und Deckel 4 sowie einen in der Kanne 2 befindlichen Einlauftrichter 5a aufweist. Im Auslauf 7b des Einlauftrichters 5a ist eine Filterkartusche 50 eingesetzt. Das Rohwasser 8 wird nach Abnahme des Deckels 4 oder durch die Einlauföffnung 7a im Deckel 4 in den Einlauftrichter 5a eingefüllt und strömt von dort durch die Filterkartusche 50 in die Kanne 2, an deren Boden sich das filtrierte Wasser 9 sammelt.

Im Einlauftrichter 5a, der Bestandteil der Messvorrichtung 10 ist, ist die Leitfähigkeitsmesseinrichtung 10a angeordnet, die ein Messelement 20 aufweist, das über eine elektrische Leitung 11 mit einer Auswerteeinrichtung 12 verbunden ist. Die Auswerteeinrichtung 12 beinhaltet auch die Stromversorgungseinheit. An der Auswerteeinrichtung 12 ist eine Anzeigeeinheit 13 angebracht, die im Deckel 4 angeordnet und von außen sichtbar sind.

Wenn Rohwasser 8 zuläuft, steigt der Flüssigkeitsspiegel 40 an. Während der Filtration sinkt der Flüssigkeitsspiegel 40 ab.

Aus den Füllstandsunterschieden kann auf das Flüssigkeitsvolumen geschlossen werden, das durch die Filterkartusche 50 geflossen ist. Dieses Volumen ist ein Maß für den Austauschzeitpunkt der Filterkartusche 50.

Die Änderungen des Flüssigkeitsspiegels 40 werden von dem Messelement 20 erfasst. Die Auswerteeinrichtung 12 errechnet aus den Messwerten das dazugehörige Volumen unter Berücksichtigung der Abmessungen des Einlauftrichters 5a. Wenn ein für die betreffende Filterkartusche 50 vorgegebener Volumenwert überschritten wird, wird dies über die Anzeigeeinheit 13 dem Benutzer mitgeteilt. Die Messvorrichtung 10 wird bei dieser Ausführungsform als Volumenbelastungsmessvorrichtung für die Filterkartusche 50 eingesetzt.

In der 9 ist eine Prinzipdarstellung der Anordnung der Elektroden 30a, b dargestellt. dV bezeichnet die Volumenänderung der Flüssigkeit bei Änderung des Flüssigkeitsspiegels 40. Mittels dieser Messvorrichtung 10 wurden für drei Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Leitfähigkeit Messungen durchgeführt. Das Ergebnis ist in dem Diagramm der 10 dargestellt.

Die Messwerte werden in vorgegebenen Zeitabständen &Dgr;t = ti – ti-1 ermittelt.

Es gilt: M(V(z)) = K(LF)·fM(V(z)) = K(LF)·bMV(z) und somit für zwei nacheinander ermittelte Messwerte

Für das Verhältnis der beiden Messwerte gilt:

Hierbei sind:

M1
= Messwert bei V1, d. h. Zeitpunkt t1
M2
= Messwert bei V2, d. h. Zeitpunkt t2
V1
= absolutes Volumen vor einer Volumenänderung
V2
= absolutes Volumen nach einer Volumenänderung
dV
= V1 – V2 (Differenzvolumen)
K
= Proportionalitätsfaktor, der u. a. von LF abhängt. Andere Einflussgrößen auf den Faktor K sind Zellenkonstante, Volumenkonstante, Proportionalitätsfaktor des Messverstärkers
bM
= Basiszahl der Exponentialfunktion, wird festgelegt durch die Geometrie der Leitfähigkeitsmesszelle und Abmessungen des Behälters (Volumenänderung/Messwertänderung)

Durch Logarithmieren ergibt sich der Zusammenhang:

An den Formeln ist zu erkennen, dass sich der Faktor K herauskürzt. Die Basis bM muss für die jeweilige Messanordnung durch eine einmalige Kalibrierung bestimmt werden und geht als konstante Basiszahl in die Messung ein. Somit ist die Bestimmung des Differenzvolumens eindeutig.

Für das Beispiel nach 10 ergeben sich für die Messwerte M2 = 10 und M1 = 20 (Basis bM = 2,5937) folgende Berechnungen (Volumenangaben in Liter, z in cm):

  • A) niedrige Leitfähigkeit: K = 1,8181; M1 = 20; V1 = 2,516; M2 = 10; V2 = 1,789 dV = 0,727
  • B) mittlere Leitfähigkeit: K = 3,6363; M1 = 20; V1 = 1,789; M2 = 10; V2 = 1,061 dV = 0,727
  • C) hohe Leitfähigkeit: K = 7,7272; M1 = 20; V1 = 1,061; M2 = 10; V2 = 0,334 dV = 0,727

Unabhängig von K und somit von der Leitfähigkeit LF der Flüssigkeit wird immer dieselbe Volumenänderung gemessen.

Für die Bestimmungen eines Differenzvolumens ist das exponentielle Messprinzip sehr gut geeignet. Der Vorteil ist, dass Faktoren wie z. B. die absolute Leitfähigkeit der Flüssigkeit die Messwertbestimmung nicht beeinflussen und dass nur zwei Messungen notwendig sind.

1
Wasserfiltereinrichtung
2
Kanne
3
Griff
4
Deckel
5
Flüssigkeitsbehälter
5a
Einlauftrichter
6a
Umfangswand
6b
Bodenwand
7a
Einlauf
7b
Auslauf
8
Rohwasser
9
filtriertes Wasser
10
Messvorrichtung
10a
Leitfähigkeitsmesseinrichtung
11
elektrische Verbindungsleitung
12
Auswerteeinrichtung
13
Anzeigeeinheit
20
Messelement
21
Trägerplatte
22a, b
Fuß
23
Aussparung
24
Mittelplatte
25a, b
T-Schenkel
30a, b
Messelektrode
31
erstes Elektrodenende
32
zweites Elektrodenende
33
Kontaktelement
34
Kontaktpille
35
balkenartige Verbreiterung
36
elektrische Feldlinien
37
Einhüllende
38
Stufe
40
Flüssigkeitsspiegel
41
Flüssigkeit
42
maximaler Flüssigkeitsspiegel
50
Filterkartusche


Anspruch[de]
Messvorrichtung (10) zur Bestimmung von Durchflussmengen dV(z) elektrisch leitender Flüssigkeiten mit der Leitfähigkeit LF durch einen Behälter (5) bei sich in vertikaler Richtung (z-Richtung) verändernden Füllstandshöhen mit

• einem eine Bodenwand (6b) und Zu- und Ablauf (7a, b) aufweisenden Behälter (5) und mit

• einer Leitfähigkeitsmesseinrichtung (10a), die folgende Komponenten umfasst:

• eine Spannungsquelle

• eine Auswerteeinrichtung (12) und

• mindestens ein Messelement (20),

• das im Behälter (5) angeordnet ist und an die Auswerteeinrichtung (12) angeschlossen ist und

• das mindestens zwei sich in z-Richtung erstreckende Elektroden (30a, b) aufweist, die senkrecht zur z-Richtung beabstandet zueinander angeordnet sind, wobei z die Entfernung vom unteren ersten Elektrodenende (31) (z = 0) zum oberen zweiten Elektrodenende (32) bezeichnet, dadurch gekennzeichnet,

dass die Leitfähigkeitsmesseinrichtung (10a) in zeitlichen Abständen ti – ti-1 mit i = 1 ... n Messwerte liefert,

dass mindestens der Behälter (5) und/oder die Leitfähigkeitsmesseinrichtung (10a) derart ausgelegt ist/sind, dass er/sie durch mindestens eine von V(z) abhängige Parameterfunktion beschreibbar ist/sind,

so dass gilt: wobei bM eine Zahl ≠ 0 und ≠ 1 ist,

und dass die Auswerteeinrichtung (12) mindestens zur Quotientenbildung der Messwerte und zum Logarithmieren der Quotienten ausgebildet ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens eine Parameterfunktion gilt: vorzugsweise mit und z in cm. Messvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Parameter Pl derart ausgewählt ist, dass vorzugsweise mit und z in cm ist. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter Pl die Fläche A mindestens einer Elektrode (30a, b) ist und dass für die Fläche A gilt: Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter Pl die das Füllvolumen bestimmende Behälterform F ist und dass für die Behälterform gilt: Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter Pl der Abstand D der Elektroden (30a, b) ist und dass für den Abstand D gilt: Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (20) eine Trägerplatte (21) aufweist und dass die beiden Elektroden (30a, b) auf gegenüberliegenden Seiten der Trägerplatte (21) angeordnet sind. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (20) derart im Flüssigkeitsbehälter (5) angeordnet ist, dass sich das breite zweite Elektrodenende (32) oben befindet. Messvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (20) in die Wand (6a) des Flüssigkeitsbehälters (5) integriert ist. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsbehälter (5) ein Einlauftrichter (5a) einer Wasserfiltereinrichtung (1) ist. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (12) an eine Anzeigeeinheit (13) angeschlossen ist. Verwendung der Messvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 als Volumenbelastungsmessvorrichtung für Filterkartuschen (50). Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (10) eine Anzeigeeinheit (13) aufweist, die den Austauschzeitpunkt für die Filterkartusche (50) anzeigt. Messelement für die Bestimmung eines füllstandshöhenabhängigen Messwertes elektrisch leitender Flüssigkeiten mit mindestens einer lang gestreckten Elektrode (30a, b), wobei die Fläche A der Elektrode (30a, b) mit zunehmendem Abstand z vom ersten Elektrodenende (31) zum zweiten Elektrodenende (32) exponentiell zunimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite B der Elektrode (30a, b) sich in Stufen (38) ändert. Messelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass für die Fläche A der Elektrode (30a, b) gilt: und z in cm. Messelement nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass für die Fläche A der Elektrode (30a, b) gilt: und z in cm. Messelement nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite B1 am ersten Elektrodenende (31) 0,1 mm bis 20 mm beträgt. Messelement nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite B2 am zweiten Elektrodenende (32) 5 mm bis 30 mm beträgt. Messelement nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass am ersten Elektrodenende (31) eine sich senkrecht zur Elektrodenachse erstreckende balkenartige Verbreiterung (35) vorgesehen ist. Messelement nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass sich an einem Elektrodenende (31, 32) ein Kontaktelement (33) anschließt. Messelement nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (30a, b) aus einem Metall, einer Metalllegierung, einem elektrisch leitenden Kunststoff oder einem sonstigen leitenden Material bestehen. Messelement nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrode (30a, b) auf einem Trägerelement angeordnet ist. Messelement nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement die Wand (6a) eines Flüssigkeitsbehälters (5) ist. Messelement nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement eine Trägerplatte (21) ist, auf deren beiden gegenüberliegenden Seiten jeweils eine Elektrode (30a, b) angeordnet ist. Messelement nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass beide Elektroden (30a, b) identisch sind. Messelement nach einem der Ansprüche 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (21) einen Doppel-T-Querschnitt aufweist. Messelement nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (21) benachbart zum ersten Elektrodenende (31) zwei Füße (22a, b) aufweist. Messelement nach einem der Ansprüche 14 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (30a, b) aus einem elektrisch leitenden Kunststoff und die Trägerplatte (21) aus einem nicht leitenden Kunststoff bestehen. Messelement nach einem der Ansprüche 14 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Zweikomponenten-Spritzgussteil ist. Verfahren zur Bestimmung der Gesamtdurchflussmenge dV elektrisch leitender Flüssigkeiten der Leitfähigkeit LF durch einen Behälter bei sich in vertikaler Richtung (z-Richtung) verändernden Füllstandshöhen mittels eines Behälters und einer Leitfähigkeitsmesseinrichtung gekennzeichnet durch folgende Schritte:

– Auslegung mindestens des Behälters und/oder der Leitfähigkeitsmesseinrichtung, dass er/sie durch mindestens eine von V(z) abhängige Parameterfunktion beschreibbar ist/sind,

– Abstimmung der mindestens einen Parameterfunktion derart, dass für die von der Leitfähigkeitsmesseinrichtung gelieferten Messwerte – Durchführung einer Messung zur Bestimmung der Basis bM,

– Ermittlung von Messwerten in zeitlichen Abständen ti – ti-1 mit i = 1 ... n,

– Quotientenbildung und Logarithmieren des Quotienten zur Ermittlung von dVi und

– Addition der n-Werte dVi zur Bestimmung der gesamten Durchflussmenge dV.
Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte im zeitlichen Abstand von 1 bis 100 sec ermittelt werden. Verfahren nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte in zeitlichen Abständen von 1 bis 20 sec, vorzugsweise von 2 bis 10 sec, ermittelt werden.






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