NO179386B - Föler for væskemåling - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en føler for væskemåling, omfattende to elektroder, hver med et elektrisk isolerende og i det vesentlige f luidtett overtrekk, og en elektrisk ikke ledende membran anordnet mellom elektrodene og gjennomtrengelig for den væske som måles.

Fra tidligere tider har man på de forskjelligste måter forsøkt å utføre følere for kontinuerlig og trinnvis måling av væskers egenskaper.

Eksempelvis er det ønskelig å måle pH-verdiendringer i reaktorer og utføre fysiologisk surhetsanalyse av blodprøver og liknende ved hjelp av sonder eller væskefølere. I motsetning til optiske undersøkelser, f .eks. spektroskopiske, som nok kan benyttes til kontinuerlige eller trinnvise målinger, har væskefølerne fordelen av å være uavhengige av forurensninger som reduserer lysgjennomskinneligheten og andre opalescensfenomener, og dessuten kan en væskeføler enklere monteres inn i en sonde.

En føler for undersøkelse av kvantitative endringer av væsker om som er slik det er angitt innledningsvis, er kjent fra DE-OS 21 55 568. Denne kjente følers to elektroder danner en kondensator hvis isolerende dielektrikum er i form av en plastfolie som sveller i vann, hvorved kondensatorens kapasitet blir et mål for vanninntrengningsevnen eller konsentrasjonen av oppløste kompo-nenter i vannet som trenger inn i folien. Føleren har imidlertid ulempen at plastfolien som danner en membran som sveller i vann arter seg forskjellig i avhengighet av hvordan den har vært opp-bevart og hvor lenge, idet de fysikalske egenskaper endrer seg med tiden, slik at kalibrering må utføres hyppig under bruken. Dessuten er de plaststoffer som kan svelle i vann særlig følsomme for aggressive medier og kan i mange tilfeller overhodet ikke benyttes i blandinger av vann og organiske løsningsmidler.

Fra DE-PS 925 621 kjennes en liknende føler hvor man ved å måle kapasiteten av en kondensator med isolerte elektroder kan bestemme dielektrisitetskonstanten av et gassformet medium mellom elektrodene. Ved hjelp av en slik føler kan f.eks. duggpunktet for en gass bestemmes.

Videre er det fra DE-B-2938434 kjent en føler for væskemåling, omfattende to elektrodesjikt med en elektrisk isolerende membran mellom, og hvor det på motsatt side av begge sjikt er anordnet et bæremateriale som er fluidtett. Membranen er imidlertid gjennomtrengelig for den væske som måles. Bæremate-rialet kan være aluminium-, tantal- eller silisiumdioksyd, silisiumnitrid eller sinksulfid. Membranen kan bestå av silisiumnitrid eller -dioksyd, aluminium- eller tantaloksyd eller sinksulfid, og elektrodesjiktene kan være av gull, sølv, aluminium eller platina. Visse ulemper er imidlertid påpekt ved denne kjente føler, særlig kan det sjikt eller overtrekk som omslutter elektrodene kunne gjennomtrenges av den væske som måles, hvorved virkningen blir en slags kortslutning. Ifølge oppfinnelsen utføres imidlertid en direkte oksydasjon av elektrodematerialet, særlig utføres en gradering av oksydasjonsprosessen slik at elektrodematerialet i elektrodenes "nærområde" blir såvidt omfattende oksydert at det dannes et fluidtett sjikt, mens det lenger ut fra elektrodenes sentrum skjer en mindre effektiv oksydasjon. Fluidgjennomtrengelig-heten endres altså gradvis ved en slik gradert oksydasjonsprosess.

Fra "Technisches Messen tm, 1979, hefte 6, sidene 255-259" er beskrevet en fremgangsmåte for å bestemme den komplekse dielektrisitetskonstant for væsker med særdeles høyt energiopptak i dm-bølgeområdet, hvorved en føler og væsken føres inn i en koaksial-resonator hvis resonansfrekvens og godhet deretter måles.

Dette krever at væsken bringes inn i selve resonator-hulrommet, og derved er kun en diskontinuerlig måling mulig. Oppbyggingen av en slik resonator krever dertil betydelige tekniske foranstaltninger, særlig med hensyn til tettingen. Det dreier seg altså ikke om noen robust, anvendelig målesonde eller føler for kontinuerlige målinger av f.eks. parametre i bioreaktorer, motoroljer under drift og liknende, hvilket i stedet søkes fremskaffet med denne oppfinnelse.

Føleren bør ha så små dimensjoner at den uten vanskelighet kan føres inn i meget små væskevolumer. Den bør dessuten være anvendbar for måling av de forskjelligste egenskaper hos væskene, dvs. være generelt anvendelig.

Oppfinnelsens føler er særlig kjennetegnet ved de trekk som fremgår av den karakteriserende del av det etterfølgende krav 1, mens ytterligere trekk vil fremgå av dette kravs underkrav.

Ifølge oppfinnelsen har elektrodene et elektrisk isolerende overtrekk som ikke er gjennomtrengelig av væsken. Den væske som skal undersøkes kan derved kun trenge inn i selve membranen og da eksempelvis dennes porer, hulrom eller spalter, eller mellom enkeltsjikt, ved diffusjon. Den komplekse motstand som kondensatorens dielektrikum bidrar til vil være avhengig av begge elektrodeovertrekkene og selve membranen, og de dielektriske egenskaper endres særlig når væske trenger inn i membranen, ikke som følge av en eventuell galvanisk væskeforbindelse mellom elektrodene (Ohmsk motstand).

Da dessuten membranen består av et materiale som ikke kjemisk vil angripes av den væske som skal undersøkes, vil reprodu-serbarheten kunne tillate måling av endringer av det komplekse dielektrisitetstall for membranen ved inntrenging av væske i denne ut fra den komplekse kapasitet av den kondensator som elektrodene danner. Nøyaktigheten av målingene gjør føleren godt egnet for målinger av endringer av væskers egenskaper.

Elektrodene bør hovedsakelig bestå av metall og/eller et overgangsmetall, spesielt aluminium, zirkon, titan, tantal, wolfram eller molybden, hvorved en fremstilling av elektrodene fra rent titan eller fra en titanlegering eksempelvis med et innhold av opp til 6 % aluminium og opp til 4 % vanadium og likeledes kobber vil være spesielt foretrukket.

De ikke elektrisk ledende membraner som opptar det medium som skal undersøkes eller kommer i berøring med dette medium, består fortrinnsvis av aluminiumoksyd, silisiumnitrid, [KA12 (0H)2]<*>;[AlSi3O10], titanoksyd eller polytetraf luoretylen. For overtrekket på elektrodene er det gunstigste å benytte et ikke ledende metalloksyd, metallblandingsoksyd, metallnitrid, et ikke organisk isolasjonsmateriale eller fluorkarbon, spesielt foretrukket blant oksydene vil være A1203 eller titanoksyd eller blandingsoksyder såsom titan-aluminiumzirkonat. Overtrekkene kan påføres ved direkte oksydasjon av elektrodematerialet, eksempelvis ved anodisk oksydasjon eller glødeoksydasjon, på i og for seg kjent måte i forbindelse med påføringen av zirkonoksyd, titanoksyd, tantaloksyd, wolfram-oksyd, molybdenoksyd eller aluminiumoksyd. Derved kan elektrodeover-trekket og membranmaterialet være utført av det samme grunnmaterial, om enn med forskjellig struktur, og de egenskaper som kjennetegner oppfinnelsen kan derved realiseres både på membranen (ikke vannfast) og på elektrodenes overtrekk (vannfast eller ikke gjennomtrengelig for væske). ;En foretrukket føler ifølge oppfinnelsen og som spesielt er egnet for måling av oljer har en porøs, ikke ledende membran hvis porer har tverrsnitt mellom ca. 0,01 og 1 um, fortrinnsvis mellom 0, 05 og 0, 02 pm. I porene dannes derved over f lateladninger mellom de enkelte oljepartikler inne i den isolator som membranen utgjør. Denne overflateladning påvirker ikke bare dielektrisitetskonstanten i avhengighet av eksempelvis oljens alkalitet såvel som dens sprede- og renseegenskaper og konsentrasjonen av additiver, men bevegeligheten av overflateladningene som kan bedømmes ut fra dynamiske målinger er også et mål for oljens viskositet, slik at man med føleren ifølge oppfinnelsen på en overraskende måte også vil kunne måle oljens viskositet med stor nøyaktighet. Føleren er derved egnet for måling av f.eks. tekniske oljers egenskaper, beskrevet nærmere i det følgende. ;Det er videre mulig å benytte et membranmateriale som ikke har porer i vanlig forstand, men er ugjennomtrengelig for væske og likevel kan utvise en "porefunksjon" ved hjelp av spalter, mellomrom etc. F.eks. kan man lagvis legge sjikt av membranmaterialet på hverandre eller plassere de to isolerte elektrodene i direkte kontakt med hverandre. Således kan i enkelte tilfeller membranen som sådan utelates, ved at spaltene mellom de enkelte sjikt kan betraktes som membraner. ;Avhengig av hvilket måleproblem man står overfor kan føleren anvendes ikke bare for oljemålinger, men også ved målinger innen ioneaktivitet og spesielt målinger av pH-verdier når væsken eller ionene ikke skal trenge inn i membranen. Målingene blir best når den "spesifikke poreoverflate" er størst mulig, eksempelvis i størrelsesorden 100 m<2>/g. ;Videre kan minst én av elektrodene være porøs og ha innervegger med et ikke ledende overtrekk som hovedsakelig er vanntett. I denne utførelsesform er det også mulig å utelate membranen, og de isolerte elektroder kan f.eks. rett og slett "legges på hverandre". ;Ved anvendelse av en membran kan tykkelsen ligge mellom 10 og 100 pm og fortrinnsvis mellom 20 og 40 pm. ;Ifølge ytterligere en foretrukket versjon av føleren, hvor særlig egenskapene for nedsenking i vann, vandige oppløsninger eller vannholdige væsker fremheves, er membranen heller ikke porøs i egentlig forstand, men består av sjikt av uporøst materiale mellom og i hvilke olje eller hydrogen- og/eller hydroksylioner såvel som andre ioner kan diffundere inn i, slik at en endring av pH-verdien f .eks. fører til at membranmaterialet får andre dielektriske egenskaper. Spesielt kan membranmaterialet være uporøst korund, aluminium-hydroksylsilikat, f.eks. glimmer, eller gamma-aluminiumoksyd, dvs. materialer som i stedet har laggitteroppbygging som tillater væskeinntrengning og hvor de inntrengende molekyler kan spres hurtig mellom de enkelte gitterlag. Membrantykkelsen bør ligge mellom ca. 6 og 100 pm, fortrinnsvis i området 30 til 40 pm. ;Man kan videre tenke seg at måleren som er egnet for vandige løsninger i det minste delvis omsluttes av en membran som er selektiv for ioner, idet membranen kan være selektivt følsom for hydrogen- eller hydroksylioner, kalium-, natrium-, kalsium-eller magnesiumioner. Derved er det mulig å bestemme ionekonsentrasjon med denne føler. ;Elektrodene kan være anordnet for å danne en platekondensator, men det er like fullt mulig at den ene elektrode omsluttes sylindrisk og koaksialt av den andre som i en sylinderkondensator. ;I en innretning for å måle en væskes egenskaper ifølge oppfinnelsen senkes måleføleren ned i væsken, og en vekselspenning hvis frekvens kan varieres mellom 50 Hz og 1 GHz påtrykkes elektrodene, for å kunne bestemme den dielektriske tapsfaktor D og/eller kapasiteten C som funksjon av frekvensen. De målte verdier sammenliknes med referanseverdier for bestemmelse av væskens egenskaper, såsom viskositet, pH-verdi, ionekonsentrasjon og liknende. ;Som allerede anført er føleren særlig egnet for overvåking av oljer og liknende, eksempelvis motor, turbin-, pumpe-, trans-formatoroljer og liknende oljetyper. Driftsegenskapene for oljen blir da sammenliknet med verdier for kontrollert tilsats av additiver slik at optimalisering av drif tsegenskapene kan utføres. ;Oljene må senest byttes ut før de viktigste funksjonsparametre endres ut over fastsatte verdier. Tidligere ble oljer utskiftet uten nærmere undersøkelse ifølge en antatt elding etter en forhåndsbestemt "serviceperiode", og dette kunne medføre for tidlig oljeskift med forhøyede kostnader, eller i det motsatte tilfelle for sen oljeskift med tilhørende øket slitasje av motordeler. ;De viktigste parametre for motorsmøreoljer er: smøre-virkning (friksjonsreduksjon) - korrosjonsbeskyttelse - beskyttelse av bevegelige deler overfor innvirkning eller avleiring av partik-kel formede forurensninger. ;Disse oljeegenskaper kan oppnås ved hjelp av additiver for forbedring av oljens viskositet og for en tilstrekkelig bedret smørevirkning. Overfor kjemisk korrosjon lar man oljen være svakt alkalisk. Forurensninger som kommer inn i oljen kan bedre spres i finfordelt form ved hjelp av spredetilsetninger (dispersjonsaddi-tiver) og renseadditiver (detergent-additiver) og derved oppnås at forurensningspartiklene ikke fører til avleiring eller opphopning. ;Etterhvert som oljen brukes reduseres dens alkalitet ved at den på en måte oksyderes (dannelsen av syregrupper). Dessuten øker eller reduseres viskositeten avhengig av drif tsbetingelsene. En kontroll av oljens funksjonsparametre, eksempelvis ved motorer med vekslende arbeidsforhold såsom ved motorer i tyngre lastevogner, er ønskelig, og de tre aktuelle parametre er alkalitet, viskositet og innholdet av additiver for smøring og rensing. ;Det er kjent at de kvalitative egenskaper for en olje kan måles med sonder i laboratoriet, og egenskapene fastlegges gjerne da ved hjelp av polarografi eller viskosimetri. Videre kan oljetrykket måles kontinuerlig, og dette gir en indirekte opplysning om oljens viskositet. Oljens ledningsevne kan også måles kontinuerlig, og dette gir en generell indikasjon på ioneforurensninger. Disse kjente fremgangsmåter er for omfattende og kompliserte for benyttelse i eksempelvis en lastebil under drift, fordi de krever uttak av en oljeprøve og således ikke er egnet for måling i et lukket motorkretsløp, eller det er behov for store og kompliserte måleinstrumenter. ;Ved hjelp av oppfinnelsens føler kan de viktige parametre for oljer måles kontinuerlig under drift, tross sine små dimensjoner, ut fra at oljens dielektriske egenskaper er frekvensavhengige. Det porøse, ikke elektrisk ledende, men dielektriske lag mellom kondensatorelektrodene vil med opptatte oljemolekyler fremvise maksima ved forskjellige frekvenser, karakteristiske for en bestemt olje eller oljeparameter, mens frekvensresponsen vil være monoton uten opptatt olje. ;Elektrisk kapasitet, dielektrisitetskonstant og dielek-trisk tapsfaktor kan etter målingen analyseres/bearbeides i en datamaskin. Det eksempel som blir beskrevet i det følgende omfatter bearbeidingen av målingen av den dielektriske tapsfaktor, og naturligvis kan tilsvarende informasjon bearbeides for målinger av de andre karakteristiske parametre for væsken. ;Frekvensavhengige maksima for den dielektriske tapsfaktor ved påtrykk av vekselspenning med frekvens mellom 50 Hz og 1 GHz oppstår sannsynligvis på grunn av at de oljefylte membranporer ved en temperatur på ca. 150°C utviser elektrisk ledende inhomogeni-teter i den ikke ledende membran, og disse inhomogen! tet er fører til elektriske såkalte relaksasjonsforløp, kjent som Maxwell-Wagner-effekten. Elektrisk ledende partikler som er omsluttet av en elektrisk isolator fremviser nemlig ved et påtrykt elektrisk vekselfelt en periodisk polarisasjon. Ved økende frekvens medgår stadig økende energi for arbeidet med ompolarisering av partiklene. Når den såkalte relaksasjonsfrekvens (fR) overskrides, reduseres amplituden for ladningsbærerne. Man får således et maksimum for det dielektriske tap ved relaksasjonsfrekvensen. Det er forståelig at konsentrasjonen av ladningsbærere i olje er avhengig av innholdet av syre, alkaliske og saltholdige grupper eller degradasjonspro-dukter såvel som oljens vanninnhold. Ved økning av frekvensen påvirkes derved alle disse grupper som virker som ladningsbærere med hensyn til periodisk bevegelse, men med økende frekvens reduseres bevegelsen på grunn av bærerens egen mekaniske treghet. Dette skjer ved en karakteristisk relaksasjonsfrekvens for hver type ladningsbærere og med et mer eller mindre utpreget maksimum for den dielektriske tapsfaktor D eller ved et sprang i dielektrisitetskonstanten eller i kapasiteten. ;I fritt bevegelig olje som ikke er oppsuget i noen membran, ligger disse relaksasjonsfrekvensene under 50 Hz og kan vanskelig inngå i noen analyse. Videre er tapene i fritt bevegelig olje for store til at en tilstrekkelig stor måleeffekt kan observ-eres. Membranen ifølge oppfinnelsen bevirker med sine porer at det dannes et romladningssjikt på grunn av fysikalsk adsorpsjon av oljepartikler i membranmaterialet. Grunnet dette romladningssj ikt øker oljens elektriske ledningsevne betraktelig, f. eks. med f aktoren 10, og derved forskyver relaksasjonsfrekvensene seg mot høyere verdier siden de er proporsjonale med oljens ledningsevne, og de havner således i et frekvensområde som er gunstigere måleteknisk sett. ;Føleren ifølge oppfinnelsen kan enten benyttes ved gjennomstrømningsmålinger (spesielt som sylinderkondensator) eller ved målinger hvor den dykkes ned i den olje eller væske som skal undersøkes. ;Ved anvendelse av føleren ifølge oppfinnelsen for pH-målinger og/eller målinger av ioneaktivitet i en vandig oppløsning kan det være fordelaktig at membranen ikke er porøs, men likevel kan oppta hydrogen- eller hydroksylioner og/eller andre ioner. ;En pH-føler som spesielt reagerer på hydroksyl ionene (OH") og hydrogenionene (H<*>) er gunstig siden den - i motsetning til de tidligere anvendte glass-pH-målesondene - ikke lett brekkes og dessuten kan benyttes ved ekstreme pH-verdier, som særlig opptrer i alkaliske væsker. Glasselektroder kan ikke benyttes i sterkt alkaliske oppløsninger. En ytterligere ulempe ved de kjente pH-målerne består utover deres følsomhet i at de er relativt store og således ikke er egnet for å brukes i de minste målevolumer.

Ved at det benyttes en motstandsdyktig membran innsatt mellom elektroder med isolerende overtrekk kan f.eks. pH-verdien eller andre ioneaktiviteter i galvaniske bad, elektrolyttbad, bioreaktorer og liknende væsker måles, til og med kontinuerlig måling ved ekstremt alkaliske pH-verdier.

Føleren ifølge oppfinnelsen kan også måle kalium-, natrium-, klor-, kalsium- eller magnesiumioner, idet det dannes en 15 til 20 um tykk kapsel av en ioneselektiv membran som selektivt slipper gjennom de ioner som målingen omfatter. En forutsetning for måling av slike ioner er at disse har dif fundert inn i membranmaterialet.

I det følgende vil oppfinnelsen som den fremgår ved et utførelseseksempel beskrives med henvisning til de ledsagende illustrasjoner, hvor fig. 1 viser et tverrsnitt av en føler for illustrasjon av den prinsipielle oppbygning, fig. 2 viser en skisse av en mulig utførelsesform av føleren, fig. 3 viser frekvensrespons-kurver for forløpet av tapsfaktoren D for frisk og brukt olje, fig. 4 viser en måle- eller kalibreringskurve for en oljes alkalitet, fig. 5 viser forskyvningen av et maksimum for dielektrisitets-tapet ved to forskjellige væsker i avhengighet av frekvensen, fig. 6 viser avhengigheten mellom to nærmere beskrevne parametre K,, og T), og fig. 7 viser endringen av tapsf aktoren D ved forskjellige additivtilsetninger til en motorolje.

Fig. 1 viser skjematisk og ikke i målestokk oppbyggingen av en platekondensator som er utformet i samsvar med oppfinnelsen for å danne en føler. Denne føler har to elektroder 1 og 2 med elektrisk isolerende overtrekk 4, og en membran 3 mellom elektrodene. Til elektrode 1 og 2 er det koplet en signalbearbeid-ingsenhet for opptak av de målte parametre såvel som for påtrykk av en vekselspenning med varierende frekvens. Enheten måler følerens komplekse vekselstrømsmotstand og dermed kondensatorens kapasitet og/eller dielektriske tap. Disse størrelser kan brukes for bestemmelse med stor nøyaktighet og reproduserbarhet av egenskapene i den væske som skal måles.

Da det må anses som kjent teknikk å måle en kondensators kapasitet og/eller dielektriske tap, vil dette ikke beskrives nærmere. Målingen kan foregå analogt eller digitalt, eksempelvis ved hjelp av en kalkulator, en mikroprosessor eller en mindre datamaskin.

Fig. 1 viser ganske enkelt den prinsipielle oppbygging. En utførelsesform som er praktisk anvendbar er vist på fig. 2. Ved denne utførelsesform er begge elektrodene formet i vinkel, og de deler av elektrodene som ligger i vinkel ligger an mot membranen 3. En elektrodeholder 6 bestemmer stillingen av elektrodene 1 og 2 i forhold til hverandre, og ved elektrodenes ytterender er tilsluttet tilførselsledninger 5 for påtrykk av vekselspenningen og tilknytning av måleutrustningen.

I det følgende vil et utførelseseksempel for en føler ifølge oppfinnelsen for måling av vannholdige oppløsninger, spesielt pH-verdier bli beskrevet, og deretter en føler spesielt for måling i tekniske oljer, særlig alkalitet, viskositet og parametre som endres med tilslag av additiver for rensing og spredning.

I eksemplene er begge elektroder 1 og 2 av titan og har et overtrekk 4 av rutil- eller titanaluminiumzirkonat. Overtrekket 4 er ikke porøst og har en tykkelse på ca. 8 til 30 pm. Membranen

3 mellom elektrodene er ca. 10 til 100 pm tykk og er bygget opp av korund eller gamma-aluminiumoksyd. Føleren kan benyttes som pH-føler med følgende mål: tykkelse 0,5 mm, bredde 5 mm og lengde 10 mm. Den påtrykte vekselspenning varieres i området mellom 50 Hz og 1 GHz, fortrinnsvis mellom 100 Hz og 40 kHz, og spenningens spissverdi skal helst ligge rundt IV.

Hvis man senker en slik måler ned i en væske som skal måles, eksempelvis en vandig oppløsning, vil hydrogen- og hydroksylioner dif fundere inn i membranen og endre dens dielektriske egenskaper i avhengighet av pH-verdien. I det ikke porøse overtrekk 4 på elektrodene 1 og 2 vil på den annen side ingen ioner dif fundere inn, slik at elektrodene 1 og 2 fortsatt vil være isolerte, hvorved kondensatorens komplekse vekselstrømsmotstand ikke får noe galvanisk bidrag som følge av ledende forbindelse mellom elektrodene. Siden membranen 3 ikke angripes kjemisk av væsken vil målingenes reproduserbarhet være god.

Signalbearbeidingsenheten lagrer måleverdiene for hver enkelt målef rekvens og sammenlikner disse måleverdier med innlagrede kalibreringsverdier. Ved denne sammenlikning kan pH-verdiene bestemmes med stor nøyaktighet og reproduserbarhet og dessuten etter omregning presenteres direkte som måleresultat.

Ved utførelse som en pH-føler egnet for medisin og bioteknikk blir en 5 til 20 um tykk ioneselektiv membrankapsel innført for å øke selektiviteten for eksempelvis hydrogen- og hydroksyl ioner eller kalium-, natrium-, klor- eller kalsiumioner, hvorved disse ioner kan skilles fra andre ladninger som skyldes forstyrrelser eller urenheter i væsken.

De kvalitative parametre og egenskaper ved motoroljer og blandinger av disse, heretter for enkelhets skyld benevnt oljer, endrer seg med eldingen og belastningen av oljen. Det er derfor nødvendig å skifte oljen i en motor etter en bestemt tid. Da oljens nedbryting ikke kan overvåkes kontinuerlig, kan oljeutskiftingen skje for tidlig eller sent for en maskin, eksempelvis en turbin, en motor, en vakuumpumpe eller en transformator, og dette er i begge tilfeller uheldig.

I det følgende vil et utførelseseksempel beskrives hvor elektrodene 1 og 2 er formet som plater som på fig. 1 og 2. Elektrodene består eksempelvis av ren titan eller av en titanlegering med opp til 6 % aluminium, opp til 4 % vanadium og med eventuelle spor av kobber.

Elektrodene 1 og 2 er videre påført et overtrekk 4 som kan være fremstilt anodisk eller ved glødeoksydasjon av elek-trodemetallet. I det beskrevne eksempel er det benyttet titanelek-troder med et påført titan(di)oksydsjikt med tykkelse mellom 8 um og 20 um ved anodisk oksydasjon i vandig natriumsulfatløsning. Det må gjøres uttrykkelig oppmerksom på at egenskapene for titan-(di)oksydsjiktet er avhengig av strømtettheten og spenningen ved fremstillingen, driftsparametrene ved fremstillingen av overtrekket 4 på elektrodene er således styrt av selve fremstillingsprosessen

for oksydsjiktet.

Membranen 3 som tillater indiffusjon har fortrinnsvis en tykkelse mellom 10 um og 100 pm, mens tverrsnittet av dens porer skal ligge mellom 0,01 pm og 1,0 pm, fortrinnsvis mellom 0,05 og 0,02 pm.

En slik membran kan eksempelvis fremstilles ved at en aluminiumfolie med tykkelse mellom 10 pm og 100 pm gjennomoksyderes fullstendig i en 15 % vandig H2S04-oppløsning ved en konstant strøm-tetthet på ca. 10 mA/cm<2>. Mest hensiktsmessig har porene sjikt med en spesifikk overflate på omkring 100 m<2>/g.

En føler med den oppbygging som er nevnt ovenfor har eksempelvis følgende typiske mål: Bredde 2 mm, lengde 25 mm, tykkelse 0,2 mm.

Elektrodene kan være rektangulære slik at de danner en "platekondensator", eller de kan ha sylinderformede elektroder.

Typiske dimensjoner for de sylinderformede elektroder kan da være; diameteren av den indre elektrode: 1,0 til 10 mm, denne elektrode kan være massiv eller bestå av en hulsylinder med veggtykkelse eksempelvis 0,5 til 3 mm. Den ytre elektrode er da en hulsylinder med en indre diameter som er lik ytterdiameteren av innerelektroden pluss tykkelsen av det porøse sjikt, og ytterdiameteren ligger mellom 2 og 15 mm. Lengden av de aktive deler av de sylinderformede elektroder kan dreie seg om 1 til 5 mm.

For å muliggjøre en lettere gjennomgang av oljen til det porøse mellomsjikt, kan med fordel også minst én av de begge elektroder være så porøs at også innerveggene av porene er over-trukket med metalloksyd.

På elektrodene legges nå en vekselspenning med frekvens mellom 50 Hz og 1 GHz og med en spisspenning som ligger mellom 1 og 5 V. Ut fra de forløp som føleren fremviser som frekvens-avhengig komponent, vil bearbeidningsenheten gi en karakteristisk frekvensrespons for hver av dens aktuelle dielektriske egenskaper, og i eksempelet vises den dielektriske tapsfaktor D som funksjon av målefrekvensen f, D = D(f). De karakteristiske maksima som skyldes de ovenfor beskrevne virkninger for den porøse ikke ledende membran 3 i føleren fremgår av responsen, f.eks. med et maksimum av D mellom 0,1 og 10 kHz ifølge figurene 3, 5 og 7. Et annet maksimum kan ligge under 0,1 kHz og tas ikke med i figurene. Ytterligere maksima som opptrer ved 40 kHz og høyere tas heller ikke med. Til D's maksima hører relaksasjonsfrekvenser fR som karakteristiske frekvenser.

På fig. 3 er vist avhengigheten mellom den dielektriske tapsfaktor og påtrykt frekvens ved en frisk og en brukt ( "gammel" ) motorolje av typen 15W40. Det fremgår umiddelbart av kurveforløpene at brukt olje får større dielektriske tap ved en gitt målefrekvens, ved denne olje opptrer et maksimum av D ved ca. 1 kHz, og dette maksimum stiger fra D = 1,40 til ca. D = 1,55.

Fra fig. 3 går videre frem at den gjennomsnittlige endring av D mellom ordinataksen og det første maksimum har blitt mindre ved brukt olje. Dette kan forklares ut fra at det maksimum som ligger under 0,1 kHz og har med oljens syreholdighet å gjøre i løpet av oljens brukstid øker mer enn alkalitetsmaksimumet som hovedsakelig ligger ved frekvensen ca. 1 kHz.

Den eldningsavhengige forandring av den midlere økning av tapsf aktoren D = D(f) før relaksasjonsf rekvensen fR oppnås blir erfaringsmessig benyttet for bestemmelse av oljens alkalitet, ved at man beregner en alkalitetsverdi A for minst to frekvenser, f1 og f2:

Ved et funksjonsforløp ifølge fig. 3 blir A = (D(400 Hz) - D(100 Hz))/300 Hz og angir et mål for den momentane alkalitet. Den verdi av A som beregnes ut fra dette kan så ifølge oppfinnelsen benyttes for lagring i lagringsenheten og sammenliknes med nye verdier av alkaliteten for oljen for således å bedømme endringen i løpet av en viss tid.

Fig. 4 viser forløpet for A = (<D>400 - D100)/Af. Denne verdi for A avtar sterkt med synkende pH-verdi, og av denne sammenheng kan det på en pålitelig måte bestemmes når syregrupper oppstår i alkaliske oljer.

På fig. 5 er fremstilt måleverdier for D = D(f) for oljer med viskositeter T| = 1,3 cP og t) = 79 cP. Med stigende verdier av Tj forskyver relaksasjonsf rekvensen (der hvor D har maksimum) seg fra omkring 1,3 kHz til omkring 150 Hz. Dette fenomen som benevnes maksimalforskyvning for oljens tapsfaktor kan benyttes for å bestemme en oljes viskositet r\.

Generelt er den relative økning av den frekvens hvor D har maksimum: Af/f et mål for hvor hurtig den relative viskositet avtar: - Ati/tj •

På en i og for seg kjent og vanlig måte kan denne sammenheng tilknyttes en kalibreringsreaktor og benyttes for beregning av oljeparametre, fortrinnsvis med en kalkulator.

På fig. 6 er vist sammenhengen mellom viskositet og relaksjonstid x , hvorved den således fremstilte størrelse kn = x • IO<3> og x = 1/(2 ti f).

Kurven er opptatt for en olje med en og samme alkalitet.

Fig. 5 og 6 vedrører forløpet av den maksimale verdi for tapsf aktoren D = D(f), idet de stigende linjer tilsvarer et bestemt maksimum av D. For flere maksima tilsvarer det et knippe med linjer som har sitt utspring i origo og som har forskjellig helning. Da posisjonen for de ulike maksima har med ledningsevnen og dermed med oljens alkalitet å gjøre, er det fordelaktig å eliminere denne innflytelse ved å betrakte flere maksima og forskyvningen av disse maksima ved flere enn to til fire frekvenser (f). Ved en samtidig sterk endring av oljens alkalitet vil det lønne seg å ta hensyn til den relative alkalitetsendring Ab/b, hvorved faktorene k tas med som kalibreringsfaktorer:

For å bedømme endringen av additivkonsentrasjonen i oljer blir ifølge oppfinnelsen avhengigheten av denne konsentrasjon målt i forhold til et bestemt maksimum av D, fortrinnsvis ved at hvert additiv tillegges separat, og de målte resultater lagres deretter i lagringsenheten. Endringen i parametre for oljen vil da kunne beregnes ut fra endringen i maksimum for D i forhold til de lagrede data og kan benyttes for måling av konsentrasjonsendringene.

På fig. 7 er vist en forskyvning av den maksimale D fra D = 2,0 til D = 2,3 ved en reduksjon i et additivs konsentrasjon fra 10 % til 3,3 %.

I det ovenstående er oppfinnelsen beskrevet ved eksempler. Innenfor rammen av oppfinnelsen vil man kunne tenke seg de mest ulike modifikasjoner, eksempelvis er det mulig å anvende flere følere for å måle de enkelte parametre i væsker separat.

Claims (13)

1. Føler for væskemåling, omfattende to elektroder (1, 2), hver med et elektrisk isolerende og i det vesentlige f luidtett overtrekk (4), og en elektrisk ikke ledende membran (3) anordnet mellom elektrodene og gjennomtrengelig for den væske som måles, KARAKTERISERT VED at overtrekket (4) er dannet ved direkte kjemisk reaksjon av elektrodematerialet, og at den elektrisk ikke ledende membran (3) er av metalloksyd, metallblandingsoksyder eller et organisk eller uorganisk materiale og har porer eller gjennomgående spalter eller mellomrom - som tilsammen gir en stor overflate per enhetsvolum og -vekt, f.eks. i størrelsesorden 100 m<2>/g - som den væske som skal undersøkes kan trenge inn i slik at det dannes et romladningssjikt ved fysikalsk adsorpsjon.

2. Føler ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at elektrodene (1, 2) hovedsakelig består av aluminium, zirkon, titan, tantal, wolfram og/eller molybden eller et liknende metall, eller av en legering hvor minst to av disse metaller inngår.

3. Føler ifølge ett av kravene 1 eller 2, KARAKTERISERT VED at den ikke ledende membran (3) hovedsakelig består av aluminiumoksyd, silisiumnitrid eller [KA12(0H)2]<*> [AlSi3O10] .

4. Føler ifølge ett av kravene 1-3, KARAKTERISERT VED at overtrekket (4) hovedsakelig består av et ikke ledende metalloksyd, metallblandingsoksyd, metallnitrid eller et annet uorganisk isolasj onsmateriale.

5. Føler ifølge ett av kravene 1-4, KARAKTERISERT VED at overtrekket (4) består av amfotære oksyder såsom A1203 eller rutil, eller av metallblandingsoksyder som titanaluminiumzirkonat.

6. Føler ifølge ett av kravene 1 til 5, KARAKTERISERT VED at elektrodene (1, 2) består av ren titan eller av en titanlegering, eksempelvis med et innhold opp til 6 % aluminium og opp til 4 % vanadium og dertil kobber, at elektrodeovertrekkene (4) består av Ti02 og at membranen (3) består av A1203.

7. Føler ifølge ett av kravene 1 til 5, KARAKTERISERT VED at overtrekket (4) og membranen (3) hovedsakelig består av det samme kjemiske grunnmateriale, men med forskjellig struktur.

8. Føler ifølge ett av kravene 1 til 7, KARAKTERISERT VED at ved at porene i membranen (3) har en diameter eller en største dimensjon på mellom 0,01 og 1 ym, fortrinnsvis mellom 0,05 og 0,2 pm, og/eller at de gjennomgående spalter eller mellomrom har en tilsvarende dimensjon på tvers av sin lengdeutstrekning.

9. Føler ifølge ett av kravene 1 til 8, KARAKTERISERT VED at minst én elektrode (1 eller 2) er porøs slik at det dannes innvendige flater, og at disse flater har et elektrisk ikke ledende sjikt som danner det fluidtette overtrekk (4).

10. Føler ifølge ett av kravene 1 til 9, KARAKTERISERT VED at tykkelsen av membranen (3) er mellom 10 og 100 pm, fortrinnsvis mellom 20 og 40 pm.

11. Føler ifølge ett av kravene 1 til 7, KARAKTERISERT VED at den ikke ledende membran (3) er lagvis oppbygget med sjikt av ikke porøst materiale, men hvor det mellom sjiktene dannes innvendige hulrom og flater for inntrengning av væske.

12. Føler ifølge krav 11, KARAKTERISERT VED at membranmaterialet omfatter ikke porøs korund, aluminiumhydroksylsilikat eller gamma-aluminiumoksyd.

13. Føler ifølge krav 12, KARAKTERISERT VED at membrantykkelsen ligger mellom 6 og 100 pm, fortrinnsvis mellom 30 og 40 pm.