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MEMOIRE DESCRIPTIF DEPOSE A L'APPUI DE LA DEMANDE
D'UN BREVET D'INVENTIF Appareil de mesure d'acidité et de potentiel.
154 West Slauson Avenue, Los Angeles (Californie)
Etats Unis
Cette invention concerne d'une façon générale les instruments de mesure électriques et elle est partiou- lièrement applioable à la mesure de potentiels dans des circuits de très grande résistance. Un domaine particulier dans lequel elle a une grande utilité est la détermination de la concentration en ions hydrogène (communément appelée le pH) de solutions. L'invention sera en oonsé- quenoe décrite dans son application spéciale à la détermination du pH.
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L'invention orée notamment un dispositif indicateur de potentiel d'une extrême sensibilité qui est également portatif, d'un mécanisme robuste, simple, sensiblement indérangeable en fonctionnement, peu coûteux à construire et à faire fonctionner comparativement aux appareils antérieurs destinés au même usage. Elle porte aussi sur un dispositif de mesure du potentiel d'un circuit de forte résistance comprenant un élément voltalque de manière à éliminer tout d'abord les effets de polarisation aux éleo- trodes de l'élément et ensuite à réduire à une valeur négligeable la chute de potentiel provoquée par le courant de mesure dansle circuit à examiner.
L'invention consiste encore à prévoir dans un amplificateur à tube ou lampe à vide un oirouit qui soit relativement insensible à de petites variations de tensions de la batterie et à prévoit, en outre, un dispositif simple pour compenser de grandes variations des tensions de batterie, ce qui fait que les potentiels de batterie peuvent tomber jusqu'aux deux tiers de leur valeur initiale sans affecter le fonctionnement de l'installation.
Les principes généraux que comportent les mesures de concentration en ions hydrogène sont bien connus :- L'un des modes opératoires les plus satisfaisants consiste à introduire deux électrodes de caractéristiques spéciales dans la solution à examiner et à mesurer le potentiel entre les électrodes. L'une des électrodes peut être constituée par une ampoule de verre à paroi mince conte- nant une solution d'acide chlorhydrique et de quinhydrone de caractéristiques connues et l'autre électrode peut être constituée par un tube contenant une solution de
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chlorure de potassium et de chlorure de mercure (calomel), la construction du tube étant de nature à permettre un contact entre la solution de chlorure de potassium et de oalomel renfermée dans le tube avec la solution à examiner ou mesurer.
On a constaté que la mince paroi de l'ampoule de verre constituant une partie de la première électrode permet à l'électricité de passer entre la solution oonnue contenue dans l'ampoule et la solution devant être examinée et mesurée qui entoure l'ampoule, tout en empêchant le mélange des deux solutions. L'appareil fonotionne comme une pile voltalque développant un potentiel qui est une fonction du pH de la solution qui est examinée et mesurée, de sorte que le pH peut être déterminé avec un haut degré de précision si le potentiel de la pile peut être mesuré avec exactitude,
On a antérieurement rencontré de grandes difficultés pour la mesure préoise du potentiel d'un élément ou pile de ce genre en raison de son énorme résistance interne.
Cette résistance est naturellement due à la paroi de verre de l'ampoule que le courant engendré dans l'élément doit traverser. Si l'on essaie de mesurer le potentiel de l'élément en branchant directement sur lui un voltmètre ordinaire, le courant fourni est insuffisant pour fournir une indication lisible. En conséquence, on a pris l'ha- bitude de monter l'élément en série avec un potentiomètre (ce dernier constituant une source de tension étalonnée variable) et un galvanomètre délicat, en réglant le poten- tiomètre jusqu'à ce qu'il fournisse un potentiel égal et de polarité contraire à celui de l'élément, l'état d'équi- libre étant indiqué par une indication zéro sur le
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galvanomètre et en montant alors le potentiel pour lequel le potentiomètre est réglé.
La précision de ce procédé dépend dans une grande mesure de la sensibilité du galva- nomètre utilisé et malheureusement des galvanomètres qui sont suffisamment sensibles pour donner des résultats satisfaisants sont si délicats qu'il est impossible d'essayer de les utiliser en dehors de laboratoires spéciaux. En outre, même avec les galvanomètres les plus sensibles, l'ampoule de verre de l'élément de mesure doit être rela- tivement grande ou bien ses parois doivent être excessive- ment minces afin de laisser passer suffisamment de courant pour donner une indication précise du galvanomètre, Or, les grandes ampoules ne sont pas pratiques parce qu'il faut un grand échantillon du liquide à examiner pour immerger l'ampoule.
Il est évident que, dans de nombreux cas, par exemple pour les analyses de sang, il est indésirable de prélever une grande quantité pour l'examen. Quant aux ampoules à parois extrêmement minces, elles ne sont pas rationnelles à cause de la difficulté et des frais de leur fabrication, ainsi que de leur fragilité à l'usage.
On a fait antérieurement il est vrai des essais pour augmenter la sensibilité de l'appareil en utilisant un am- plificateur à lampes ou tubes à vide en avant du galvano- mètre, mais l'appareil obtenu présentait de sérieux inconvénients. C'est ainsi qu'il utilisait encore un gal- vanomètre sensible soumis à des dommages mécaniques ou électriques s'il n'était pas manipulé avec beaucoup de soin et qu'il utilisait des tubes ou lampes à vide cons- truits spécialement, coûteux et qu'il n'était pas toujours facile d'obtenir.
Il était également nécessaire, avec
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l'appareil antérieur utilisant des tubes à vide, de prévoir des sources de oourant de tension très constante pour éviter à l'instrument indicateur des dérangements des indications qui risquaient de réduire sérieusement la pré- oision de mesure et de nécessiter de fréquents réglables de l'instrument. En outre, la sensibilité de l'instrument était grandement affectée par de légers changements dans les potentiels de batterie. Enfin les dispositifs servant à maintenir la tension constante étaient encombrants en eux-mêmes.
Selon la présente invention, on remplace le galvano- mètre délicat et fragile précédemment considéré nécessaire par un simple milliampèremètre robuste mécaniquement en combinaison avec un amplificateur à lampes ou tubes à vide spécialement étudié qui utilise des lampes de TSF courantes et qui est excité par des piles sèches ou élé- ments secs. L'ensemble de l'appareil peut être renfermé dans un coffret compact portatif. Cet appareil est extrê- mement précis et sensiblement indérangeable en fonctionne- ment, de sorte qu'il peut être manipulé par des personnes inexpérimentées sans danger d'être abîmé ou déréglé.
Pour faciliter sa compréhension, l'invention va d'ailleurs être décrite dans ce qui suit à l'aide des dessins annexés :
La fig. 1 est un schéma montrant le circuit électri- que de l'appareil.
La fig, 2 est une vue de détail de l'élément voltalque du type approprié à être utilisé dans cet appareil.
La fig. 3 est une vue en perspective de l'appareil d'examen ou de mesure sur lequel porte l'invention.
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La fig. 4 est un plan de l'appareil représenté dans la fig. 3 avec le couvercle ouvert.
La fig. 5 est une coupe de détail montrant la construc- tion d'un des interrupteurs utilisé dans l'appareil repré- senté dans les figs. 3 et 4.
Dans le schéma de la fig. 1, représentant un appareil complet pour la détermination du pH d'une solution inconnue, l'appareil est constitué, comme éléments principaux, par un potentiomètre 1, un élément voltalque 2, un amplificateur à lampes ou tubes à vide 3, et un milliampèremètre 4.
Le potentiomètre 1 ne fait pas en lui-même partie de la présente invention et peut être de tout type bien oonnu.
Ce qui essentiel, c'est d'avoir une source étalonnée de potentiel variable et il a en conséquence été indiqué comme étant constitué ici par une résistance 5 reliée à une batterie 6 et comme comportant un contact mobile 7 qui peut être déplacé le long de cette résistance 5. Une extrémité de celle-ci est reliée à une borne de sortie 8, et le contact mobile 7 est relié à une autre borne de sortie 9. Ce contact mobile 7 est représenté comme étant relié à une aiguille indicatrice 10 destinée à se déplacer sur une graduation 11. Des potentiomètres de ce type géné- ral sont si bien connus qu'il n'est pas nécessaire de les décrire davantage ici. Le dispositif 1 est essentiellement un dispositif diviseur de tension.
Lorsque l'aiguille 7 se trouve à l'extrémité inférieure de la résistance 5, il n'est imprimé aucun potentiel aux bornes de sorte 8 et 9.
Il en est de même lorsque, dans cette position; l'aiguille indicatrice 10 est en face du repère zéro de la graduation 11, Lorsque le contact 7 se trouve à l'extrémité supérieure
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de la résistance 5, le faible potentiel de la batterie 6 est imprimé aux bornes de sortie 8 et 9 et l'aiguille indi- catrice 10 indique ainsi sur la graduation 11 le potentiel maximum. La batterie 6 est de nature voulue pour qu'elle fournisse une tension très constante et elle peut être étalonnée de temps en temps par comparaison avec un élément étalon. En déplaçant le contact mobile 7 le long de la résistance 5, tout potentiel ou toute tension désirée entre le zéro et la tension complète de la batterie 6 peut être appliqué aux bornes de sortie 8 et 9, et la valeur de ce potentiel peut être lue sur la graduation 11.
L'élément voltalque 2 n'est pas nouveau en soit et peut être constitué par tous systèmes d'électrodes dans lesquels la variation du potentiel de l'élément est une fonction de la concentration en ions hydrogène. On connaît bien divers systèmesde ce genre dansla technique, qui comprennent des électrodes des types suivants : hydrogène, quinhydrone, antimoine et verre; Le présent dispositif est applicable à tous ces systèmes, mais il est particulière- ment utile en liaison avec l'électrode en verre qui a une très forte résistance électrique inhérente, Le potentiel de cette électrode est en conséquence très difficile à mesurer avec précision par la plupart des autres dispositifs.
La construction à utiliser de préférence est représen- tée en détail dans la fig. 2. Elle comporte un vase ou autre récipient 12 destiné à contenir la solution inoonnue dont le pH doit être déterminé. Cette cuve est, de pré- férence, remplie de la solution inconnue jusqu'au niveau indiqué par la ligne pointillée 13. Deux électrodes 14 et 15 respectivement sont suspendues et en partie immergées
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dans la solution contenue dans le vase 12.
L'électrode 14 est constituée par un tube en verre 16 comportant une mince ampoule 17 soufflée à son extrémité inférieure, L'extrémité supérieure du tube 16 est ouverte et reçoit un bouohon de liège 18, qui supporte un tube de verre 19. Ce tube 19 est ouvert à sa partie supérieure, mais est fermé par un bouohon 20 à une courte distance au-dessous de son extré- mité supérieure. Un ruban de platine 21 traverse le bouchon et est scellé dans le bouohon 20. Une partie du tube 19 située immédiatement au-dessus du bouohon 20 est remplie de mercure 22, qui entoure et vient en contact avec l'ex- trémité supérieure du ruban de platine 21.
Le tube 19 est légèrement élargi au-dessous du bouohon 20 et est fermé au fond, mais il comporte un petit orifice 23 dans un côté pour permettre le contact entre le liquide contenu dans l'ampoule 17 et le liquide contenu dans la partie inférieure du tube 19. L'ampoule 17 contient de préférence une solution de 0,1 N d'acide chlorhydrique saturé avec de la quinhydrone, bien que tous systèmes d'électrodes de potentiels reproductibles seraient également satisfaisants.
La partie inférieure du tube 19 est également remplie de la même solution et contient dans son extrémité inférieure quelques cristaux 24 de quinhydrone pour maintenir la solution saturée en tous temps.
L'électrode 15 est constituée par un tube en verre 25 ouvert aux deux extrémités, mais allant en s'effilant vers l'intérieur à son extrémité inférieure pour constituer un siège tronoonique, dans lequel prend appui un bouohon tronconique 26. Les surfaces juxtaposées du tube 25 et du bouohon 26 sont meulées pour former un joint étroit
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et empêcher pratiquement toute fuite de liquide du tube 25.
Cependant, il y a toujours une mince pellicule de solution entre les surfaces du bouohon 26 et la surface coopérante du tube 25, qui est suffisante pour assurer une conduite facile de courant entre la solution contenue dans le vase et une solution contenue dans le tube 25. L'extrémité supérieure du tube 25 est fermée par un bouchon 27, qui supporte un tube intérieur 28 à l'intérieur du tube 25.
Le tube 28 est de construction analogue au tube 19 est oomporte une ohambre supérieure contenant le mercure 29 séparée par une paroi 30 d'une seconde chambre formée dans la partie inférieure du tube. Un ruban de platine 31 est passé à travers et scellé dans le bouohon 30 et vient en contact avec le mercure 29. L'extrémité inférieure du ruban 31 plonge dans une pâte composée de mercure, de chlorure mercureux et de chlorure de potassium qui se trouve dans le fond du tube 28. Le tube intérieur 28 et l'autre tube 25 sont remplis d'une solution saturée de ohlorure de potassium et de chlorure mercureux, une connexion électri- que étant établie entre les deux par un orifice 32 pra- tiqué dans la paroi du tube 28.
On constate qu'un élément du type décrit développe entre les rubans de platine 21 et 31 un potentiel qui est fonotion de l'acidité ou du pH de la solution dans laquelle l'ampoule 17 et le tube 25 sont immergés, de sorte qu'en déterminant le potentiel entre les rubans de platine on peut déterminer le pH de la solution. Bien que la théorie des électrodes de verre soit encore sujette à controverses, son fonctionnement peut être expliqué sur la base que seuls des ions hydrogène peuvent traverser
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la mince ampoule de verre 17. Mais la vitesse du courant ionique à travers l'ampoule est extrêmement faible, de sorte que le courant pouvant "e tre obtenu de l'élément est excessivement faible.
En conséquence., si l'on essaie de mesurer le potentiel entre les rubans 21 et 31 (par exemple en insérant les bornes d'un dispositif de mesure dans les petites massds de mercure 22 et 29) avec un dis- positif ayant une faible résistance, la chute de potentiel à l'intérieur de l'élément est si grande que l'indication de voltage obtenue est grossièrement imprécise. Il est nécessaire, pour mesurer le potentiel développé par l'élé- ment avec une précision raisonnable, que le circuit exté- rieur connecté à l'électrode ait une impédance qui soit grande comparativement à l'impédance de l'ampoule de verre 16.
Etant donné que l'impédanoe de l'ampoule de verre peut avoir une valeur quelconque comprise entre cinq millions et un billion d'ohms, ou même supérieure, le circuit extérieur doit évidemment avoir une résistance énorme.
Il est ainsi impossible d'essayer d'utiliser un voltmè- tre à indication directe destiné à être monté directement entre les électrodes 14 et 15, mais on a constaté qu'il est possible de mesurer le potentiel entre les électrodes en les montant en série avec un potentiomètre et un dis- positif indicateur de tension à lampes ou tubes à vide, qui indique simplement l'existenoe de la tension, mais non pas sa grandeur absolue.
Ainsi (en se reportant de nouveau à la fig. 1) on a représenté l'électrode 14 reliée à une borne d'arrivée 85 de l'amplificateur à lampesou tubes à vide dans le
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dispositif indicateur de Tension 3 et l'électrode 15 reliée à une borne 36 du dispositif 3, tous les éléments du dispositif 3 étant représentés comme étant renfermés dans le cadre ou gabarit pointillé 87.
Le dispositif 3 comporte un commutateur ou interrupteur réversible 38, dont une borne 39 est reliée directement à la borne 36 et dont l'autre borne 40 constitue la borne de prise de l'amplificateur à lampes ou tubes à vide, Les deux autres bornes du commutateur réversible 38 sont reliées directement aux bornes 8 et 9 du dispositif 3, qui sont destinées à être reliées au potentiomètre 1. En conséquence, on voit que l'élément 2 est monté en série avec le potentiomètre 1 et qu'en réglant convenablement le com- mutateur réversible 88, on peut amener les potentiels du potentiomètre et de l'élément à s'opposer l'un à l'au- tre, ce qui fait que le potentiel résultant appliqué à l'amplificateur à lamesou tubes à vide est la différence entre les potentiels du potentiomètre et de l'élément.
Lorsque le potentiel du potentiomètre est réglé pour être exactement égal au potentiel de l'élément et le com- mutateur 38 est réglé de façon que les deux potentiels s'opposant.l'un à l'autre, le potentiel appliqué aux bornes de prise de l'amplificateur est zéro. En conséquence, le mode opératoire suivi pour faire une mesure ou examen consiste à régler le potentiomètre jusqu'à ce que le po- tentiel appliqué aux bornes de prise de l'amplificateur soit zéro (indiqué par le milliampèremètre 4 monté dans le circuit de sortie de l'amplificateur).
Il est évident que le circuit de prise de l'ampli- ficateur a une résistance suffisamment faible pour tirer
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tout courant mesurable du/potentiomètre 1 ou de l'élément 2 ; ce dernier, en raison de sa résistance interne extra- mement élevée, ntimprime pas son véritable potentiel aux bornes 35 et 36 et une mesure précise n'est pas obtenue.
En outre, si à un moment quelconque au cours du fono- tionnement, un courant appréciable quelconque passe à travers l'élément voltalque 2, la polarisation a lieu à l'électrode, en produisant un dérangement dans les indi- cations et cela peut causer une sérieuse erreur dans la mesure à moins que suffisamment de temps soit laissé pour faire disparaître les effets de polarisation. La présente invention a été faite en vue de supprimer ces difficultés en établissant une résistance de prise extrêmement forte,
La construction d'amplificateur par laquelle une forte résistance de prise est obtenue, ensemble avec de nombreuses autres caractéristiquesavantageuses, va être décrite maintenant. L'amplificateur est constitué par une lampe de prise ou de premiér étage 50 et une lampe de sortie 51.
La lampe 50 est de préférence une lampe à grille-filtre, appelée dans le commerce type 32, qui est ordinairement utilisée comme amplificateur de fréquence radiophonique dans les postes récepteurs de TSF. Elle comporte une cathode 52 en filament recouvert d'oxyde, nécessitant un courant de 60 milliampères pour l'excitation normale, une grille de commande 53,....une grille-filtre 54 et une anode 55.
Lorsqu'elle est utilisée comme amplificateur de fré- quence radiophonique, la lampe est destinée à avoir un potentiel positif d'approximativement 135 volts imprimé à l'anode 55 et un potentiel positif d'approximativement
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67 volts imprimé à la grille-filtre 64. On donne ordinaire- ment à la grille de commande 53 une base négative d'en- viron 3 volts par rapport à la cathode 52. Le potentiel passant par la cathode, lorsqu'il porte son courant de chauffage normal de 60 milliampères, est approximativement de 2 volts,
La lampe de sortie 51 est une triode comportant une cathode en filament recouvert 56, une grille de commande 57 et une anode 58. La cathode 56 est normalement excitée par du courant de 60 milliampères à un potentiel de borne de 2 volts.
Le potentiel d'anode habituellement utilisé lors- que la lampe est employée comme détecteur ou amplificateur dans un poste de TSF est entre 90 et 180 volts et la pola- risation négative de grille est entre 4 1/2 et 18 1/2 volts.
On a constaté qu'il est désirable pour l'usage envisagé ici de faire fonctionner ces lampes près de leur potentiel normal, notamment en ce qui concerne la lampe de prise 50.
Ainsi, on a trouvé qu'afin d'assurer une résistance extrê.. mement élevée entre la cathode et la grille de commande de cette lampe (qui constitue le circuit de prise du dispositif 8) il est désirable de réduire le courant dans la cathode à environ la moitié de sa valeur normale, soit 80 milliam- pères, pour réduire le potentiel appliqué à l'anode 55 à quelques volts et pour réduire le potentiel appliqué à la, grille filtre à environ 22 1/2 volts, Avec ces faibles potentiels d'anode et de grille-filtre, un plus faible potentiel de polarisation est nécessaire sur la grille de commande 53.
Les facteurs principaux qui déterminent la résistance de prise d'une lampe à vide sont :
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1 - le flux électronique allant de la cathode à la grille de commande;
2 - les courants résultant de la formation de ions positifs par collision des électrons passant entre la oathode et l'anode avec les molécules de gaz résiduelles dans la lampe;
3 - l'émission d'électrons par la grille due au chauf- fage de celle-ci par rayonnement à partir des autres élé- ments de la lampe, en particulier de la cathode, ou prove- nant du bombardement moléculaire ou effet photo-électrique;
4 - les fuites entre la cathode et la grille de com- mande sur la paroi de verre de la lampe, spécialement à travers la presse de verre à travers laquelle les conduo- teurs d'électrodes sont scellés.
Dans l'amplificateur que prévoit l'invention, le* flux de courant électronique entre la cathode et la grille est empêché par le maintien de la grille négative par rapport à la cathode conformément à la pratique établie. La pro- duction de courant due à l'ionisation de gae dans la lampe par bombardement éleotronique est empêchée en utilisant des faibles potentiels d'anode et de grille-filtre, en réduisant ainsi la vitesse électronique à une valeur telle qu'il ne se produise sensib lement pas d'ionisation.
L'émission d'électrons par la grille est empêchée en main- tenant la cathode à une température relativement basse.
En outre, la cathode est d'un type qui nécessite si peu d'énergie qu'elle fait rayonner une quantité relative- ment petite de chaleur et de lumière sous toute condition.
La réduction de résistance due à la conduction ou fuite sur la surface de l'ampoule de verre de la lampe
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est réduite à une faible valeur du fait que dans le type de lampe 32 utilisé, la borne de la grille de commande est sortie à la partie supérieure de la lampe, tandis que les autres conducteurs sont sortis à travers la base de la lampe.
Les potentiels d'excitation des lampes sont empruntés à des batteries sèohes. Ainsi, la batterie de chauffage cathodique 60 est constituée par deux éléments secs cou- rants montés en série. La source de potentiel anodique est constituée par une batterie 61 de 22 1/2 volts montée en série avec une batterie 62 de 4 1/2 volts, Le potentiel pour la grille -filtre 54 est dérivé directement de la bat- terie de 22 1/2 volts. Une batterie 68 de 15 volts assure la polarisation négative pour la grille 57 de la lampe de sortie 51.
Les cathodes 52 et 56 des deux lampes sont montées en série avec la batterie 60 en passant par un interrupteur 64 (qui est utilisé pour donner ou couper le courant). Il est désirable d'appliquer sensiblement le potentiel normal (deux volts) à la cathode 56, tandis que, comme on l'a précédemment mentionné, u courant beaucoup réduit au-dessous de la valeur normale est appliqué à la cathode 52. Pour cette raison, un compteur 65 ayant une résistance de sen- siblement 80 volts est monté en shunt sur la cathode 52 pour réduire le courant qui.y passe sans réduire de façon oorrespondante le oourant passant dans la cathode 56.
Dans les amplificateurs à tubes ou lampes à vide à oourant oontinu usuels, il est nécessaire de faire l'une des trois choses suivantes pour maintenir la sensibilité et la stabilité : 1 - prévoir de grandes batteries qui
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maintiennent une tension sensiblement constante ; 2 - prévoir des dispositifs pour compenser automatiquement les variations de tensions de batterie ; 3 - prévoir des réglages manuels pour chaque potentiel de batterie. De grandes batteries sont coûteuses, lourdes et inappropriées à un matériel portatif. Des circuits compensateurs automa- tiques ne sont habituellement efficaces que pour une petite variation dans les potentiels de batterie et sont nécessairement inefficaces, car ils demandent des batteries excessivement grandes et un fréquent changement des batte... ries.
Des réglages manuels de chaque potentiel de batterie sont gênants et ne conviennent pas à une applioation com- meroiale, parce que le réglage d'un potentiel néoessite habituellement le réglage d'autres potentiels pour main- tenir une sensibilité uniforme. De plus, dans les mains d'une personne inexpérimentée, des courants excessifs causés par des réglages incorrects peuvent endommager sérieusement l'instrument indicateur. Dans la présente invention, les variations de tous les potentiels de bat- terie sont compensés par le simple réglage manuel d'un seul potentiel, à savoir le potentiel de la grille de com- mande de la lampe 50. En outre, le dispositif compensateur est conçu de telle manière que toute manipulation en vue du réglage ne peut pas causer de dommages à l'instrument.
Le même dispositif simple permet aussi la sélection de toute sensiblité désirée pour l'instrument. le dispositif de commande est constitué par un réseau de résistances comprenant les résistances 66, 67, 68 et 69 montées en shunt sur la cathode 56 de la lampe de sortie 51. La résistance 67 a une prise variable 70 sur
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elle et la résistance 69 est variable, car elle est munie d'une prise mobile 71 destinée à être déplaoée dans le sens de la longueur de la résistance et qui est connectée en permanence à une extrémité de la résistance.
Il y a lieu de remarquer que la résistance 68 est montée effectivement en shunt sur la partie de la résistance 67 située entre la prise 70 et l'extrémité droite de la résistance et que ces deux points sont montés en série avec le reste de la résistance 67, la résistance 66 et la résistance 69, sur la cathode 56.
Il y a lieu de remarquer que la grille 53 de la lampe 50 est reliée directement au contact mobile 72 d'un oommu- tateur 75, ayant un oontaot postérieur 73 et un contact antérieur 74. Le contact postérieur 73 est relié directe- ment à la prise mobile 70 et est également relié à la borne 40 du oommutateur réversible, de sorte que lorsque le commutateur 75 est dans la position normale avec le contact mobile 72 fermé sur le oontaot postérieur 73, la grille 53 de la première lampe est reliée à sa oathode 52 en passant par la résistance 66 et une partie de la résis- tance 67,
la chute de potentiel dans ces résistances déterminant le degré de potentiel négatif que la grille a par rapport à la oathode. Lorsque le commutateur 75 est aotionné pour déplacer le contact mobile 72 contre le contact antérieur 74, on obtient la même situation, sauf que le potentiomètre 1 et l'élément 2 sont montés en série dans le circuit grille. Il est rationnel que le oommutateur 75 fonotionne très rapidement, de façon que l'aiguille de la graduation indicatrice 4 reste sensiblement fixe lorsque le commutateur est aotionné dans l'un ou l'autre sens.
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Comme l'indique la fig. 1, le contact 72 du commutateur est obligé de se séparer d'un contact avant de venir en prise avec l'autre pour chaque oyole de fonctionnement ; autrement il y aurait un laps de temps au cours du fonctionnement du commutateur pendant lequel l'élément voltalque 2 serait monté en circuit fermé de basse résistance avec production d'effets de polarisation nuisibles.
En étudiant le dispositif compensateur, on a constaté qu'une variation réglable de 1,5 volt dans le potentiel de la grille 53 était suffisante pour maintenir une sensibilité uniforme du circuit, même lorsque certains ou tous les po- tentiels de batterie avaient diminué jusqu'à environ les deux tiers de leur valeur initiale et étaient également suffisants pour compenser des variations des caractéris- tiques des lampes du commerce. Le réglage du potentiel de la grille 53 est effectué principalement par rotation de la prise mobile 70. Cependant, lorsque le circuit est utilisé dans un appareil de mesure d'acidité, il est nécessaire qu'une variation de 0,0001 volt dans le potentiel de la grille de commande 53 produise une déviation détec- table de l'instrument indicateur.
Il est désirable d'être en mesure de régler faoilement la polarisation négative de la grille de commande 53 jusqu'approximativement dans les limites de 0,001 volt. Malheureusement, un petit potentiomètre oonvenable pouvant être adapté aux nécessités dece circuit, qui permettrait une variation de potentiel de 1;'5 ,volt en reprises de 0,001 volt, n'est pas dispo- nible commercialement. Il fallait, en conséquence, prévoir en fait un fin réglage du potentiomètre grossier 67. Il est nécessaire que les courants de filaments des lampes 50
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et 51 ne soient pas affectés par l'une quelconque des manoeuvres des commandes et que le réglage final produise un effet uniforme quel que soit le réglage du potentiomètre grossier.
C'est-à-dire qu'un mouvement donné pour le réglage précis doit imprimer approximativement la même mesure de potentiel sur la grille que la prise 70 soit placée à
0,5.000 ohms ou en un point intermédiaire quelconque. En se reportant à la fig. 1, on voit que la combinais onde deux potentiomètres de type ordinaire 67 et 69 avec la résistance
68 fonotionne de la manière désirée.
On remarquera que .la résistance fixe 66 (approximati- vement 600 ohms) montée en série avec des éléments variables du circuit de commande de la grille constitue user oaraoté- ristique de sécurité précieuse, étant donné quelle maintient à tous moments une certaine polarisation négative minimum qui empêche la résistance de prise de devenir si faible qu'elle permette le passage à travers l'élément voltalque
2 de oourant de force suffisante pour produire une polari- sation nuisible.
L'anode 58 de la lampe 51 est reliée à la borne positive de la batterie 62, de sorte que le potentiel positif maximum disponible arrivant des batteries 61 et 62 est appliqué sur cette lampe. Le débit de la lampe de premier étage 50 est appliqué à la seconde lampe 51 au moyen d'une résistance d'accouplement 78 et de la batterie
63. La résistance 78 est, de préférence, très forte (de 11 ordre de 20 megohms) pour produire une grande chute du potentiel appliqué à l'anode 55. Cependant, le potentiel moyen de l'anode 55 est encore positif par rapport à la cathode des lampes, En conséquence, pour maintenir la
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grille 57 négative par/rapport à la cathode 56, la batterie de polarisation 68 est montée entre l'anode 55 et la grille 57.
L'appareil renfermé dans le cadre pointillé 37 (fig, 1) peut être rationnellement rassemblé en un bloc compact dans un ooffret métallique 80, comme le montre la fig. 8.
Ce coffret est fait en métal sous une forme de parallélipi- pède avec parois latérales rigidement fixées à un fond rectangulaire, ainsi qu'un couvera) articulé 81 qui est fixé dans la position de fermeture par deux vis 82, une de chaque coté. Les parois latérales sont prolongées vers l'intérieur dans un angle du coffret pour former un com- partiment 83 destiné à recevoir un montant 84 qui supporte le vase 12 oontenant la solution devant être examinée et les électrodes 14 et 15.
Le montant 84 est constitué par un lourd socle métal- lique 85 destiné à reposer sur le fond du compartiment 88 et auquel est fixée une tige de support 86. Une pince 87 montée de façon coulissante sur la tige 86 comporte deux bras 88 et 89 qui supportent les électrodes 14 et 15.
Chacun de ces bras 88, 89 porte à son extrémité extérieure une bague 90 qui renferme la tige des électrodes 14 et 15.
La pince 87 est munie d'une vis à ailettes 91 pour permet- tre de la desserrer et de la faire monter et descendre par glissement le long de la tige 86 pour placer les élec- trodes 14 et 15 dans la solution devant être examinée dans le vase 12 ou pour les sortir de cette solution. Le socle 85 peut aussi comporter trois ergots 92, dont un peut être amovible, pour maintenir le vase 12 en posi- tion convenable. Les bornes 85 et 36, par lesquelles la
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connexion est faite aux électrodes 14 et 15, peuvent ra- tionnellement être constituées par des fils souples qui sont connectés aux électrodes respectives 14 et 15 simple- ment en plongeant les extrémités des fils dans les petites masses de mercure contenues dans les extrémités supérieures des électrodes. Le compartiment 83 peut être fermé par une porte articulée 93.
Cette oonstruotion du coffret 80 avec un compartiment destiné à reoevoir l'élément de mesure ou d'examen est avantageuse non seulementà cause du montage compact qui en résulte, mais en raison du fait que l'élément 'et les conducteurs sont protégés électrostatiquement d'une façon sensiblement complète par les parois métalliques qui les entourent. Cette caractéristique est importante parce que toute borne ayant une aussi forte impédance vers la terre que la borne 85 peut avoir des potentiels de grandeur notable induits en elle par des champs électrostatiques extérieurs.
Un bouton 95 de commande du commutateur 75, l'inter- rupteur 64 servant à donner et à couper le courant, les éléments de résistance variable 67 et 69, et le commutateur réversible 88 sont tous montés dans le couvercle articulé 81. Comme le montre la fig. 4, des connexions vont de ces divers éléments au reste de l'appareil par un câble souple 96.
On voit par la fig. 4 que l'intérieur du coffret 80 est divisé par une cloison 98 et une cloison 99 en trois compartiments 100, 101, 102. Le compartiment 100 contient deux éléments secs courants qui constituent la batterie 60 exoitant les cathodes des lampes. le compartiment 101 contient les lampes 50 et 51, qui sont montées dans des
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douillesplacées sur le fond du compartiment et qui s'élè- vent verticalement. Le compartiment 102 contient les bat- teries 61,62, 63 qui, comme précédemment indiqué, sont des batteries sèches à éléments multiples compactes du type communément appelé non vendues en grand nombre pour produire des potentiels de polarisation dans les circuits radiopho- niques et amplificateurs.
Pour simplifier les dessins, divers petits détails des appareils ont été .omis et les connexions ont été sup- primées dans la fig. 4. Mais les résistances 65, 78, 66 et 68 peuvent être montées dans le compartiment 101, car elles sont relativement petites et n'occupent que peu de place.
Le commutateur 75 est monté sur une partie 103 de la paroi latérale du coffret qui sépare le compartiment 101 du compartiment 88 dans lequel est placé l'élément devant être examiné ou mesuré.
Suivant la coupe de la fig. 5, ce commutateur est constitué par un boîtier métallique 104 fixé à la paroi 103 (par exemple par des vis 105) et comportant un alésage rela- tivement grand 106 qui descend à travers ce bottier et se termine à son extrémité inférieure par un alésage 107 plus petit traversant le fond du boîtier 104. Une tige de verre
108 descend par lesalésages 106 et 107 et est ajustée pour pouvoir coulisser dans le petit alésage inférieur 107.
Cette tige 108 comporte une tête 109 à son extrémité supé- rieure et est normalement maintenue dans la position supé- rieure désirée par un ressort hélicoïdal 110, qui entoure la tige 108 et est destiné à être comprimé entre la paroi d'extrémité inférieure de l'alésage supérieur 106 et le
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dessous de la tête 109.
Au-dessous de la tige 108 se trou- vent les contacts de commutateur 74, 72, 78, qui sont sup- portés de façon isolée dans un bloc 111 en matière forte- ment isolante, L'extrémité inférieure de la tige 108 prend normalement appui contre l'extrémité supérieure inclinée du oontaot , ce dernier étant normalement maintenu dans la position représentée dans la fig. 5 pour laquelle il est fermé sur le contact postérieur 78, Le mouvement de descente de la tige 108 fait dévier le contact mobile 72 vers la gauohe, en le séparant du oontaot 73 et en le reliant au contact 74.
Le bouton-poussoir 95, monté dans le couvercle 81, est placé de façon à coïncider avec la tête 109 de la tige de verre 108 lorsque le couvercle est dans la position de fermeture, de sorte que le oommutateur 75 peut être aotionné simplement en appuyant sur le bouton 95.
Comme ob l'a précédemment indiqué, il est très impor- tant de maintenir cette partie du circuit adjaoente à la grille 53 de la lampe d'entrée 50 exceptionnellement bien isolée par rapport à la terre.
On remarquera sur la fig. 1 que la grille 53 est reliée directement au contact mobile 72. Ce contact est bien isolé et est protégé des effets de capacité du corps pendant le fonotionnement par le fait qu'il est actionné par la tige de verre relativement longue 108 ayant une impédance extrêmement grande et une faible capacité entre ses extré- mités opposées en raison de sa longueur relativement grande, Le contact 74 et les conducteurs associés à, ce oontaot doivent doncêtre bien isolés. Ce contact, oomme on le voit par la fig. 1, est relié directement à la borne 85, qui assure la oonnexion avec l'élément à examiner
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ou mesurer. Il est en conséquence nécessaire de complète!* une connexion à travers la paroi métallique du coffret.
Ceci est effectué sans sacrifier un fort isolement en uti- lisant un conducteur 112 s'étendant entre les contacts 74 et le fil souple 35 et en faisant passer ce conducteur 112, au point où il traverse la paroi médiane du coffret, à traversun fort manchon en verre 118 qui l'entoure.et s'étend le long de ce conducteur 112 sur une distance notable de chaque coté de la paroi métallique. Le fil de borne 86, qui relie l'électrode 15 de l'élément au commutateur réver- sible 38, est à un potentiel relativement bas par rapport au sol et n'a pas besoin d'être isolé avec soin, En consé- quence, on le fait passer à travers les parois du coffret par un simple manchon de caoutchouc ou de bakélite 114.
On se sert de l'appareil comme suit : la montant 84- est retiré du compartiment 83, la pince 87 est élevée le long de la tige 86 pour sortir les électrodes du vase 12 et la solution à examiner est mise dans ce vase. Ensuite, les électrodes 14 et 15 sont abaissées dans la solution et le montant 84 est remis en place dans le compartiment 88, puis la connexion aux électrodes est complétée en intro- duisant les extrémités des conducteurs 85 et 86 dans les petites masses de mercure placées dans les extrémités supé- rieures des deux électrodes, Le couvercle 93 peut alors être fermé pour protéger électrostatiquement d'une manière complète l'élément et les conducteurs de connexion qui y vont,
Un potentiomètre est alors relié aux bornes 8 et 9 se trouvant à l'extérieur du coffret 80 et l'amplificateur est ensuite excité en tournant l'interrupteur 64 dans la position "courant". Les cathodes des lampes chauffent en
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relativement peu de secondes et en moins d'une minute le' milliampèremètre 4 donne une mesure constante. Le courant passant par le milliampèremètre peut être réglé pour amener l'aiguille dans une région désirée sur la graduation du compteur en faisant tout d'abord tourner le bouton de réglage grossier 70a vers la droite ou vers la gauche, comme néces- saire, et en faisant tourner ensuite le bouton 71a de réglage fin qui, comme on l'a déjà mentionné, permet la sélection de la sensibilité désirée de l'instrument.
Naturellement, au cours des opérations précédentes, le bouton 95 n'a pas été touché et par suite le contact 72 est relié contre son contact postérieur 73, en reliant la grille 53 de la première lampe à la cathode de la lampe par la résistance à polarisation négative, de sorte qu'il n'y a plus de potentiels dans le circuit de grille. Il est en conséquence évident que si maintenant le levier de con- tact 72 est déplacé du contact 73 au contact 74, on n'obtient la même indication du milliampèremètre que lorsqu'il y a une différence de potentiel zéro entre les bornes 85 et 40, c'est-à-dire (selon la fig. 1) lorsque le potentiel de l'élément voltalque 2 est exactement égal et de polarité opposée au potentiel.imprimé aux bornes 39 et 40 par le dis- positif de potentiomètre 1.
La prochaine opération consiste à régler le potentio- mètre relié aux bornes 8 et 9 jusqu'à ce que la même indication soit lue sur le milliampèremètre lorsque le bouton 85 est soit dans la position normale, soit enfoncé.
Il peut être nécessaire d'actionner le commutateur réver- sible 38 pour connecter convenablement le potentiomètre 1 à l'élément voltalque 2.
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Lorsque le milliampèremètre indique qu'un équilibre a été obtenu, on lit l'indication du potentiomètre et cette indication donne exactement le potentiel de l'élément 2, qui est une mesure de l'acidité de la solution examinée ou mesurée.
Un amplifioateur construit comme décrit assure une amplification suffisante pour donner une indication sur un milliampèremètre ayant une portée de 0 à 1 milliampère ou une déviation de 1 milliampère de l'aiguille pour une variation de 1 millivolt dans le potentiel d'entrée au circuit grille de la lampe 50. En termes d'aoidité, ceci signifie que l'appareil détecte une variation d'acidité de moins de 0,01 d'unité de pH, ce qui est un grand nombre de fois la sensibilité nécessaire pour la plupart des appli- cations. Il est important de noter que la capacité du circuit de mesure est si faible, grâce à la lampe à grille- filtre 50, et que la résistance est ai élevée qu'il ne peut pas passer suffisamment de courant par l'élément pour affec- ter de façon appréciable le potentiel de l'élément, même avant que l'état d'équilibre soit obtenu.
Ceci est tout,4-. fait essentiel pour obtenir la précision maximum de mesure avec l'électrode de verre.
L'appareil est robuste mécaniquement parce qu'il ne contient pas d'éléments délicats. L'élément le plus sensi- ble que comporte l'appareil est le milliampèremètre 4, qui est néanmoins relativement robuste et qui peut pas être dérangé par une manipulation ordinaire. L'appareil est également robuste électriquement étant donné qu'il est im- possible de l'actionner d'une manière quelconque pour faire passer un courant de plus de 1 milliampère par le
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milliampèremètre. Ceci est dû à la non-linéarité de la courbe caractéristique du courant de sortie ou anodique vers le potentiel de grille de prise. Cette courbe com- porte une courte région d'inclinaison maximum et lorsque l'amplificateur est actionné dans cette région la sensi- bilité maximum est obtenue.
Lorsque le potentiel de grille est réglé de l'un ou l'autre côté de cette région, la sensi- bilité diminue et la dimunition est accélérée lorsque le potentiel de grille s'éloigne de oette région, Dans les cas de limitation, lorsque le potentiel de grille devient de plus en plus positif, le courant anodique de la lampe de sortie 51 diminue et lorsque le potentiel de grille devient de plus en plus négatif, le courant anodique de la lampe
51 augmente. Cependant, il résulte de la basse tension anodique (27 volts) de la lampe de sortie 51 que le courant d'espace est limité à 1 milliampère et que le courant de sortie ne peut pas dépasser cette valeur, même en supposant qu'un potentiel de grille négatif relativement grand est appliqué à la première lampe.
Il est évident que la commande du potentiel de grille d'arrivée, à l'aide des boutons 70a et 71a, donne un moyen rapide et commode pour sélectionner la sensibilité désirée de l'instrument. De plus, les caractéristiquesde limitation de courant décri- tes constituent une protection précieuse étant donné qu'il est Impossible d'endommager le compteur 4 par des courants excessifs, soit par une manipulation faite sans soin, soit par l'application de potentiels excessifs aux bornes de prise 35 et 40.
Il ressort de façon évidente de la description qui précède que le circuit décrit constitue un amplificateur
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non linéaire qui convient idéalement aux finsenvisagées, Il constitue un dispositif de mesure de grande sensibilité et de grande stabilité, mais qui protège cependant auto- matiquement l'élément voltalque délicat d'effets de pola- risation nuisibles et qui protège aussi l'instrument indicateur en empêchant automatiquement des courants supé- rieurs à sa possibilité. Les effets microphoniques qui accompagnent habituellement les amplificateurs à lampes à vide à grande sensibilité n'existent pas de façon notable avec la présente invention.
Ceci constitue une autre carac- téristique précieuse que permet l'emploi de l'appareil en des nombreux endroits, par exemple dans des usines, où les trépidations empêchant l'utilisation de galvanomètres ou autres instruments délicats.
'L'appareil présente l'avantage d'être relativement peu coûteux à fabriquer, parce que tous ses éléments sont plus ou moins courants et peuvent être achetés dans le commerce à bas prix. C'est ainsi que les lampes utilisées peuvent être trouvées dans presque tous les magasins de vente d'accessoires de TSF, de même que les batteries, les résis- tances et autres éléments utilisés.
Cet appareil coûte également très peu comme frais d'entretien. En raison de la faible consommation de courant par les lampes utilisées, les éléments ou piles sèches constituant la batterie 60 durent de nombreux mois avec une utilisation ordinaire et sont relativement peu coûteux à remplacer. le courant pris aux autres batteries est si faible que leur durée d'existence dans l'appareil est sensiblement égale à leur durée de conservation. On a en outre constaté que l'appareil peut être utilisé presque
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sans réduction de sensibilité ou de stabilité même lorsque les potentiels de batterie sont tombés aux 2/3 de leur valeur initiale, la seule compensation nécessaire pour lespotentiels réduitétant obtenue en réglant le poten- tiel de grille de la lampe 50.
Il y a lieu d'observer que l'électrode de verre et l'électrode de oalomel ont été représentées relativement grandes sur les dessins pour plus de clarté, En fait, on utilise des électrodes n'ayant des surfaces actives que de quelques millimètres carrés et qui ne .nécessitent qu'une goutte de solution entre elles comme éleotrolyte.
Bien qu'on ait décrit le mode de réalisation préféré de l'invention, celle-ci n'est évidemment pas limitée aux détails décrits, qui peuvent naturellement varier dans une grande mesure sanssortir du cadre de l'invention définie par ses principes.
REVENDICATIONS
1 - Appareil de mesure d'acidité et de potentiel, comportant un amplificateur à lampes ou tubes à vide dont les,bornes de prise sont destinées à être reliées à la source de potentiel devant être examinée ou mesurée et ' dont le circuit de sortie contient l'instrument indica- teur de courant, cet appareil comportant des éléments pour distribuer à l'amplificateur un potentiel anodique de grandeur telle par rapport aux caractéristiques de l'amplificateur que le courant de sortie maximum de l'amplificateur soit inférieur à la capacité de courant maximum pour la sûreté de l'instrument indicateur.
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DESCRIPTIVE MEMORY SUBMITTED IN SUPPORT OF THE REQUEST
OF AN INVENTIVE PATENT Acidity and potential measuring device.
154 West Slauson Avenue, Los Angeles (California)
United States
This invention relates generally to electrical measuring instruments and is particularly applicable to the measurement of potentials in circuits of very high resistance. One particular area in which it has great utility is the determination of the concentration of hydrogen ions (commonly referred to as the pH) of solutions. The invention will therefore be described in its special application to the determination of pH.
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The invention provides in particular an extremely sensitive potential indicator device which is also portable, with a robust mechanism, simple, substantially inerangible in operation, inexpensive to build and to operate compared to prior devices intended for the same use. It also relates to a device for measuring the potential of a high resistance circuit comprising a voltalque element so as to first eliminate the effects of polarization at the electrodes of the element and then to reduce the voltage to a negligible value. drop in potential caused by the measurement current in the circuit to be examined.
The invention also consists in providing in a tube or vacuum lamp amplifier an oirouit which is relatively insensitive to small variations in battery voltages and in providing, moreover, a simple device for compensating large variations in battery voltages. , which means that the battery potentials can drop to two-thirds of their initial value without affecting the operation of the installation.
The general principles involved in measurements of hydrogen ion concentration are well known: - One of the most satisfactory procedures consists in introducing two electrodes with special characteristics in the solution to be examined and in measuring the potential between the electrodes. One of the electrodes may be a thin-walled glass ampoule containing a solution of hydrochloric acid and quinhydrone of known characteristics and the other electrode may be a tube containing a solution of
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potassium chloride and mercury chloride (calomel), the construction of the tube being such as to allow contact between the solution of potassium chloride and oalomel contained in the tube with the solution to be examined or measured.
It has been found that the thin wall of the glass ampoule constituting part of the first electrode allows electricity to pass between the known solution contained in the ampoule and the solution to be examined and measured which surrounds the ampoule, while preventing the two solutions from mixing. The apparatus functions as a voltaic cell developing a potential which is a function of the pH of the solution which is examined and measured, so that the pH can be determined with a high degree of accuracy if the potential of the cell can be measured with accuracy,
Great difficulties have previously been encountered in the preoise measurement of the potential of such an element or cell because of its enormous internal resistance.
This resistance is naturally due to the glass wall of the bulb that the current generated in the element must pass through. If one tries to measure the potential of the element by plugging an ordinary voltmeter directly into it, the current supplied is insufficient to provide a readable indication. As a consequence, the habit has been taken to mount the element in series with a potentiometer (the latter constituting a variable calibrated voltage source) and a delicate galvanometer, adjusting the potentiometer until it is provides an equal potential and opposite polarity to that of the element, the equilibrium state being indicated by a zero indication on the
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galvanometer and then increasing the potential for which the potentiometer is set.
The accuracy of this method depends to a large extent on the sensitivity of the galva- nometer used and unfortunately galvanometers which are sufficiently sensitive to give satisfactory results are so delicate that it is impossible to attempt to use them outside special laboratories. . In addition, even with the most sensitive galvanometers, the glass bulb of the measuring element must be relatively large or its walls must be excessively thin in order to allow sufficient current to pass to give an accurate indication. of the galvanometer. However, large bulbs are impractical because it takes a large sample of the liquid to be examined to submerge the bulb.
Obviously, in many cases, for example for blood tests, it is undesirable to take a large amount for examination. As for the bulbs with extremely thin walls, they are not rational because of the difficulty and expense of their manufacture, as well as their fragility in use.
It is true that attempts have been made previously to increase the sensitivity of the apparatus by using a vacuum tube or tube amplifier in front of the galvano-meter, but the apparatus obtained had serious drawbacks. Thus he still used a sensitive gal- vanometer subject to mechanical or electrical damage if it was not handled with great care and he used specially constructed, expensive vacuum tubes or lamps. and that it was not always easy to obtain.
It was also necessary, with
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the previous apparatus using vacuum tubes, to provide sources of current of very constant voltage in order to avoid to the instrument indicating faults indications which risked seriously reducing the measurement preparation and requiring frequent adjustments of the 'instrument. In addition, the sensitivity of the instrument was greatly affected by slight changes in battery potentials. Finally, the devices used to keep the voltage constant were bulky in themselves.
According to the present invention, the delicate and fragile galvano- meter previously considered necessary is replaced by a simple mechanically robust milliammeter in combination with a specially designed vacuum tube or tube amplifier which uses common TSF lamps and which is energized by batteries. dry or dry elements. The entire device can be enclosed in a compact portable case. This device is extremely precise and noticeably ineffective in operation, so that it can be handled by inexperienced persons without danger of being damaged or disturbed.
To facilitate its understanding, the invention will moreover be described in what follows with the aid of the appended drawings:
Fig. 1 is a diagram showing the electrical circuit of the apparatus.
Fig, 2 is a detail view of the voltalque element of the type suitable for use in this apparatus.
Fig. 3 is a perspective view of the examination or measuring apparatus to which the invention relates.
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Fig. 4 is a plan of the apparatus shown in FIG. 3 with the cover open.
Fig. 5 is a detail sectional view showing the construction of one of the switches used in the apparatus shown in Figs. 3 and 4.
In the diagram of fig. 1, representing a complete apparatus for the determination of the pH of an unknown solution, the apparatus is constituted, as main elements, by a potentiometer 1, a voltalque element 2, an amplifier with lamps or vacuum tubes 3, and a milliammeter 4.
The potentiometer 1 is not in itself part of the present invention and can be of any well-known type.
What is essential is to have a calibrated source of variable potential and it has therefore been indicated here to be constituted by a resistor 5 connected to a battery 6 and as having a movable contact 7 which can be moved along. this resistor 5. One end thereof is connected to an output terminal 8, and the movable contact 7 is connected to another output terminal 9. This movable contact 7 is shown as being connected to an indicator needle 10 intended for move to a graduation 11. Potentiometers of this general type are so well known that it is not necessary to describe them further here. Device 1 is essentially a voltage divider device.
When needle 7 is at the lower end of resistor 5, no potential is printed across terminals so 8 and 9.
It is the same when, in this position; the indicator needle 10 is opposite the zero mark of the graduation 11, When contact 7 is at the upper end
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of resistor 5, the low potential of battery 6 is printed on output terminals 8 and 9 and indicator needle 10 thus indicates on graduation 11 the maximum potential. Battery 6 is of such a nature as to provide a very constant voltage and it may be calibrated from time to time by comparison with a standard cell. By moving moving contact 7 along resistor 5, any potential or voltage desired between zero and the full voltage of battery 6 can be applied to output terminals 8 and 9, and the value of that potential can be read on the graduation 11.
The voltalque element 2 is not new in itself and can be formed by any electrode systems in which the variation of the potential of the element is a function of the concentration of hydrogen ions. Various such systems are well known in the art, which include electrodes of the following types: hydrogen, quinhydrone, antimony and glass; The present device is applicable to all these systems, but it is particularly useful in connection with the glass electrode which has a very high inherent electrical resistance. The potential of this electrode is therefore very difficult to measure with precision by the most other devices.
The construction to be preferably used is shown in detail in FIG. 2. It comprises a vase or other container 12 intended to contain the unknown solution, the pH of which must be determined. This tank is preferably filled with the unknown solution up to the level indicated by the dotted line 13. Two electrodes 14 and 15 respectively are suspended and partly submerged.
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in the solution contained in the vessel 12.
The electrode 14 is constituted by a glass tube 16 comprising a thin bulb 17 blown at its lower end. The upper end of the tube 16 is open and receives a cork plug 18, which supports a glass tube 19. This tube 19 is open at its top, but is closed by a buckle 20 a short distance below its top end. A platinum ribbon 21 passes through the plug and is sealed in the plug 20. A portion of the tube 19 located immediately above the plug 20 is filled with mercury 22, which surrounds and comes in contact with the upper end of the tape. platinum 21.
Tube 19 is slightly widened below bouohon 20 and is closed at the bottom, but it has a small orifice 23 in one side to allow contact between the liquid contained in the ampoule 17 and the liquid contained in the lower part of the tube. tube 19. Ampoule 17 preferably contains a 0.1N solution of hydrochloric acid saturated with quinhydrone, although any electrode systems of reproducible potentials would also be satisfactory.
The lower part of the tube 19 is also filled with the same solution and contains in its lower end a few crystals 24 of quinhydrone to keep the solution saturated at all times.
The electrode 15 is formed by a glass tube 25 open at both ends, but tapering inwardly at its lower end to form a truncated seat, in which a frustoconical plug 26 is supported. The juxtaposed surfaces of the tube 25 and bouohon 26 are ground to form a tight joint
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and substantially preventing any liquid leakage from tube 25.
However, there is still a thin film of solution between the surfaces of the bouohon 26 and the cooperating surface of the tube 25, which is sufficient to ensure an easy conduct of current between the solution contained in the vessel and a solution contained in the tube 25. The upper end of the tube 25 is closed by a stopper 27, which supports an inner tube 28 within the tube 25.
Tube 28 is similar in construction to tube 19 and has an upper chamber containing mercury 29 separated by a wall 30 from a second chamber formed in the lower part of the tube. A platinum ribbon 31 is passed through and sealed in the bouohon 30 and comes in contact with the mercury 29. The lower end of the ribbon 31 immerses in a paste composed of mercury, mercurous chloride and potassium chloride which is found in the bottom of tube 28. The inner tube 28 and the other tube 25 are filled with a saturated solution of potassium chloride and mercurous chloride, an electrical connection being made between the two through an orifice 32 provided. in the wall of the tube 28.
It is found that an element of the type described develops between the platinum ribbons 21 and 31 a potential which is based on the acidity or the pH of the solution in which the ampoule 17 and the tube 25 are immersed, so that by determining the potential between the platinum ribbons, the pH of the solution can be determined. Although the theory of glass electrodes is still controversial, its operation can be explained on the basis that only hydrogen ions can pass through
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the thin glass bulb 17. But the speed of the ionic current through the bulb is extremely low, so that the current obtainable from the element is excessively low.
Consequently, if one tries to measure the potential between the strips 21 and 31 (for example by inserting the terminals of a measuring device in the small masses of mercury 22 and 29) with a device having a low resistance, the potential drop inside the element is so great that the voltage indication obtained is grossly inaccurate. In order to measure the potential developed by the element with reasonable accuracy, it is necessary that the external circuit connected to the electrode has an impedance which is large compared to the impedance of the glass bulb 16.
Since the impedanoe of the glass bulb can be anything between five million and one trillion ohms, or even more, the outer circuit must obviously have enormous resistance.
It is thus impossible to try to use a direct indication voltmeter intended to be mounted directly between the electrodes 14 and 15, but it has been found that it is possible to measure the potential between the electrodes by mounting them in series. with a potentiometer and a voltage indicator device with lamps or vacuum tubes, which simply indicates the existence of the voltage, but not its absolute magnitude.
Thus (referring again to FIG. 1) there is shown the electrode 14 connected to an inlet terminal 85 of the vacuum tube or tube amplifier in the
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Voltage indicating device 3 and the electrode 15 connected to a terminal 36 of the device 3, all the elements of the device 3 being shown as being enclosed in the dotted frame or template 87.
The device 3 comprises a switch or reversible switch 38, one terminal 39 of which is connected directly to the terminal 36 and the other terminal 40 of which constitutes the socket terminal of the tube or vacuum tube amplifier, The other two terminals of the reversible switch 38 are connected directly to terminals 8 and 9 of device 3, which are intended to be connected to potentiometer 1. Consequently, it can be seen that element 2 is mounted in series with potentiometer 1 and that by suitably adjusting the reversible switch 88, the potentials of the potentiometer and the element can be made to oppose each other, so that the resulting potential applied to the reed or vacuum tube amplifier is the difference between the potentials of the potentiometer and the element.
When the potential of the potentiometer is set to be exactly equal to the potential of the element and the switch 38 is set so that the two potentials opposing each other, the potential applied to the tap terminals of the amplifier is zero. Consequently, the procedure followed for making a measurement or examination is to adjust the potentiometer until the potential applied to the amplifier tap terminals is zero (indicated by milliampere meter 4 mounted in the output circuit amplifier).
Obviously, the amplifier's tap circuit has a resistance low enough to pull
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any measurable current of / potentiometer 1 or element 2; the latter, due to its extremely high internal resistance, does not print its true potential at terminals 35 and 36 and an accurate measurement is not obtained.
Further, if at any time during operation any appreciable current passes through the voltalic element 2, polarization takes place at the electrode, producing a disturbance in the indications and this may cause a serious error in the measurement unless sufficient time is allowed for the effects of polarization to disappear. The present invention has been made with a view to eliminating these difficulties by establishing an extremely strong grip resistance,
The amplifier construction whereby high tap resistance is obtained, together with many other advantageous characteristics, will now be described. The amplifier consists of a socket or first stage lamp 50 and an output lamp 51.
Lamp 50 is preferably a grid-filter lamp, referred to in the trade as Type 32, which is commonly used as a radio frequency amplifier in TSF receiving stations. It comprises a cathode 52 made of an oxide coated filament, requiring a current of 60 milliamperes for normal excitation, a control grid 53, ... a filter grid 54 and an anode 55.
When used as a radio frequency amplifier, the lamp is intended to have a positive potential of approximately 135 volts imparted to the anode 55 and a positive potential of approximately.
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67 volts printed to filter grid 64. Control grid 53 is usually given a negative base of about 3 volts with respect to cathode 52. The potential passing through the cathode, when it carries its normal heating current of 60 milliamps, is approximately 2 volts,
The output lamp 51 is a triode having a covered filament cathode 56, a control grid 57, and an anode 58. Cathode 56 is normally energized by 60 milliamps current at a terminal potential of 2 volts.
The anode potential usually used when the lamp is used as a detector or amplifier in a radio station is between 90 and 180 volts and the negative gate bias is between 4 1/2 and 18 1/2 volts.
It has been found desirable for the use contemplated herein to operate such lamps near their normal potential, especially with respect to socket lamp 50.
Thus, it has been found that in order to ensure an extremely high resistance between the cathode and the control grid of this lamp (which constitutes the tap circuit of the device 8) it is desirable to reduce the current in the cathode. to about half of its normal value, or 80 milliam- perers, to reduce the potential applied to the anode 55 to a few volts and to reduce the potential applied to the filter grid to about 22 1/2 volts, with these low anode and grid-filter potentials, a lower bias potential is required on the control grid 53.
The main factors that determine the tap resistance of a vacuum lamp are:
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1 - the electronic flux going from the cathode to the control grid;
2 - the currents resulting from the formation of positive ions by collision of the electrons passing between the oathode and the anode with the residual gas molecules in the lamp;
3 - the emission of electrons by the grid due to heating of the latter by radiation from the other elements of the lamp, in particular from the cathode, or from molecular bombardment or photo- effect. electric;
4 - leaks between the cathode and the control grid on the glass wall of the lamp, especially through the glass press through which the electrode conductors are sealed.
In the amplifier provided for by the invention, the flow of electronic current between the cathode and the grid is prevented by maintaining the negative grid with respect to the cathode in accordance with established practice. The generation of current due to ionization of gae in the lamp by electron bombardment is prevented by using low anode and grid-filter potentials, thus reducing the electron speed to such a level that it does not occur. substantially no ionization.
Emission of electrons from the grid is prevented by keeping the cathode at a relatively low temperature.
Further, the cathode is of a type which requires so little energy that it radiates a relatively small amount of heat and light under any condition.
Reducing resistance due to conduction or leakage on the surface of the lamp glass bulb
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is reduced to a low value because in the type of lamp 32 used, the terminal of the control gate exited at the top of the lamp, while the other conductors exited through the base of the lamp.
The excitation potentials of the lamps are borrowed from dry batteries. Thus, the cathodic heating battery 60 consists of two current dry elements mounted in series. The anode potential source consists of a 22 1/2 volt battery 61 mounted in series with a 4 1/2 volt battery 62, The potential for the filter grid 54 is derived directly from the 22 1 battery. / 2 volts. A 15 volt battery 68 provides the negative bias for the gate 57 of the output lamp 51.
The cathodes 52 and 56 of the two lamps are connected in series with the battery 60 via a switch 64 (which is used to turn on or cut off the current). It is desirable to apply substantially the normal potential (two volts) to cathode 56, while, as previously mentioned, a much reduced current below the normal value is applied to cathode 52. For this purpose Therefore, a meter 65 having a resistance of substantially 80 volts is shunted across cathode 52 to reduce the current flowing through it without correspondingly reducing the current flowing through cathode 56.
In conventional continuous-current tube amplifiers or vacuum lamps, it is necessary to do one of the following three things to maintain sensitivity and stability: 1 - provide large batteries that
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maintain a substantially constant voltage; 2 - provide devices to automatically compensate for variations in battery voltage; 3 - provide manual settings for each battery potential. Large batteries are expensive, heavy, and unsuitable for portable equipment. Automatic compensator circuits are usually effective only for a small variation in battery potentials and are necessarily inefficient, as they require excessively large batteries and frequent battery change.
Manual adjustments of each battery potential are inconvenient and unsuitable for a commercial application, because adjustment of one potential usually necessitates adjustment of other potentials to maintain uniform sensitivity. In addition, in the hands of an inexperienced person, excessive currents caused by incorrect settings can seriously damage the indicating instrument. In the present invention, the variations of all the battery potentials are compensated by the simple manual adjustment of a single potential, namely the potential of the control gate of the lamp 50. Further, the compensating device is designed in such a way that any manipulation for the purpose of adjustment cannot cause damage to the instrument.
The same simple device also allows the selection of any desired sensitivity for the instrument. the control device is constituted by a network of resistors comprising the resistors 66, 67, 68 and 69 connected in shunt on the cathode 56 of the output lamp 51. The resistor 67 has a variable tap 70 on
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it and the resistor 69 is variable, because it is provided with a movable socket 71 intended to be moved in the direction of the length of the resistor and which is permanently connected to one end of the resistor.
It should be noted that the resistor 68 is effectively mounted as a shunt on the part of the resistor 67 located between the tap 70 and the right end of the resistor and that these two points are mounted in series with the rest of the resistor. 67, resistor 66 and resistor 69, on cathode 56.
It should be noted that the grid 53 of the lamp 50 is connected directly to the movable contact 72 of a switch 75, having a posterior contact 73 and an anterior contact 74. The posterior contact 73 is connected directly to the switch. the movable socket 70 and is also connected to the terminal 40 of the reversible switch, so that when the switch 75 is in the normal position with the movable contact 72 closed on the posterior oontaot 73, the grid 53 of the first lamp is connected to its oathode 52 passing through resistor 66 and part of resistor 67,
the drop in potential in these resistors determining the degree of negative potential that the gate has with respect to the oathode. When the switch 75 is actuated to move the movable contact 72 against the front contact 74, the same situation is obtained, except that the potentiometer 1 and the element 2 are connected in series in the gate circuit. It is rational that the oommutateur 75 operates very quickly, so that the pointer of the indicator scale 4 remains substantially stationary when the switch is actuated in either direction.
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As shown in fig. 1, the contact 72 of the switch is forced to separate from one contact before engaging the other for each operating gear; otherwise there would be a lapse of time during the operation of the switch during which the voltalque element 2 would be mounted in a closed circuit of low resistance with production of harmful polarization effects.
By studying the compensating device, it was found that an adjustable variation of 1.5 volts in the potential of gate 53 was sufficient to maintain uniform sensitivity of the circuit, even when some or all of the battery potentials had decreased to. 'to about two-thirds of their original value and were also sufficient to compensate for variations in the characteristics of commercial lamps. The adjustment of the potential of the gate 53 is carried out mainly by rotation of the movable socket 70. However, when the circuit is used in an acidity measuring apparatus, it is necessary that a variation of 0.0001 volts in the potential. of the control grid 53 produces a detectable deviation of the indicating instrument.
It is desirable to be able to easily adjust the negative bias of control gate 53 to approximately within 0.001 volts. Unfortunately, a suitable small potentiometer which can be adapted to the requirements of this circuit, which would allow a potential variation of 1.5 volts in steps of 0.001 volts, is not commercially available. It was therefore necessary to provide in fact a fine adjustment of the coarse potentiometer 67. It is necessary that the filament currents of the lamps 50
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and 51 are not affected by any operation of the controls and that the final adjustment produces a uniform effect regardless of the setting of the coarse potentiometer.
That is, a movement given for fine tuning should print approximately the same measurement of potential on the grid regardless of tap 70 being placed at.
0.5,000 ohms or at any intermediate point. Referring to fig. 1, we see that the combination wave two ordinary type potentiometers 67 and 69 with the resistor
68 functions as desired.
It will be noted that the fixed resistor 66 (approximately 600 ohms) connected in series with variable elements of the gate control circuit constitutes a valuable safety arraoteristic, since it maintains at all times a certain minimum negative bias. which prevents the plug resistance from becoming so low that it allows passage through the voltaic element
2 of a current of sufficient force to produce harmful polarization.
The anode 58 of the lamp 51 is connected to the positive terminal of the battery 62, so that the maximum available positive potential arriving from the batteries 61 and 62 is applied to this lamp. The output of the first stage lamp 50 is applied to the second lamp 51 by means of a coupling resistor 78 and the battery.
63. Resistor 78 is preferably very strong (of the order of 20 megohms) to produce a large drop in the potential applied to anode 55. However, the average potential of anode 55 is still positive with respect to. the cathode of the lamps, Accordingly, to maintain the
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grid 57 negative with respect to the cathode 56, the bias battery 68 is mounted between the anode 55 and the grid 57.
The apparatus enclosed in the dotted frame 37 (fig, 1) can be rationally assembled in a compact block in a metal box 80, as shown in fig. 8.
This cabinet is made of metal in the form of a parallelepiped with side walls rigidly fixed to a rectangular bottom, as well as a hinged cover 81 which is fixed in the closed position by two screws 82, one on each side. The side walls are extended inwardly at a corner of the cabinet to form a compartment 83 for receiving a post 84 which supports the vessel 12 containing the solution to be examined and the electrodes 14 and 15.
The upright 84 is constituted by a heavy metal base 85 intended to rest on the bottom of the compartment 88 and to which is fixed a support rod 86. A clamp 87 slidably mounted on the rod 86 comprises two arms 88 and 89 which support electrodes 14 and 15.
Each of these arms 88, 89 carries at its outer end a ring 90 which encloses the rod of electrodes 14 and 15.
The clamp 87 is provided with a wing screw 91 to allow it to be loosened and slid up and down along the rod 86 to place the electrodes 14 and 15 in the solution to be examined in. the vessel 12 or to take them out of this solution. The base 85 may also have three lugs 92, one of which may be removable, to hold the vessel 12 in a suitable position. Terminals 85 and 36, through which the
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connection is made to the electrodes 14 and 15, can optionally be constituted by flexible wires which are connected to the respective electrodes 14 and 15 simply by immersing the ends of the wires in the small masses of mercury contained in the upper ends of the electrodes . The compartment 83 can be closed by a hinged door 93.
This construction of the cabinet 80 with a compartment for receiving the measuring or examining element is advantageous not only because of the resulting compact assembly, but because the element and the conductors are electrostatically protected. a substantially complete way by the metal walls which surround them. This characteristic is important because any terminal having as strong an impedance to earth as terminal 85 can have potentials of notable magnitude induced in it by external electrostatic fields.
A button 95 for controlling switch 75, switch 64 for turning power on and off, variable resistor elements 67 and 69, and reversible switch 88 are all mounted in hinged cover 81. As shown in FIG. fig. 4, connections go from these various elements to the rest of the apparatus by a flexible cable 96.
It can be seen from FIG. 4 that the interior of the cabinet 80 is divided by a partition 98 and a partition 99 into three compartments 100, 101, 102. The compartment 100 contains two common dry elements which constitute the battery 60 using the cathodes of the lamps. compartment 101 contains lamps 50 and 51, which are mounted in
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nozzles placed on the bottom of the compartment and which rise vertically. Compartment 102 contains batteries 61, 62, 63 which, as previously indicated, are compact multi-cell dry batteries of the commonly referred to as type not sold in large numbers to produce bias potentials in radio circuits and amplifiers. .
To simplify the drawings, various small details of the apparatus have been omitted and the connections have been omitted in fig. 4. But resistors 65, 78, 66 and 68 can be mounted in compartment 101, because they are relatively small and take up little space.
The switch 75 is mounted on a portion 103 of the side wall of the cabinet which separates the compartment 101 from the compartment 88 in which the item to be examined or measured is placed.
Following the section of FIG. 5, this switch is constituted by a metal housing 104 fixed to the wall 103 (for example by screws 105) and comprising a relatively large bore 106 which descends through this housing and terminates at its lower end in a bore 107. smaller passing through the caseback 104. A glass rod
108 descends through the bores 106 and 107 and is adjusted to be able to slide in the small lower bore 107.
This rod 108 has a head 109 at its upper end and is normally held in the desired upper position by a coil spring 110, which surrounds the rod 108 and is intended to be compressed between the lower end wall of the rod. 'top bore 106 and the
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below the head 109.
Below the rod 108 are the switch contacts 74, 72, 78, which are supported in isolation in a block 111 of highly insulating material. The lower end of the rod 108 normally takes up bearing against the inclined upper end of the oontaot, the latter being normally maintained in the position shown in FIG. 5 for which it is closed on the rear contact 78, the downward movement of the rod 108 deflects the movable contact 72 to the left, separating it from the oontaot 73 and connecting it to the contact 74.
The push button 95, mounted in the cover 81, is positioned to coincide with the head 109 of the glass rod 108 when the cover is in the closed position, so that the switch 75 can be actuated simply by pressing. on button 95.
As previously indicated, it is very important to keep this part of the circuit adjacent to the gate 53 of the input lamp 50 exceptionally well insulated from earth.
It will be noted in fig. 1 that the grid 53 is connected directly to the movable contact 72. This contact is well isolated and is protected from the capacitance effects of the body during operation by the fact that it is actuated by the relatively long glass rod 108 having an extremely impedance. large and low capacitance between its opposite ends due to its relatively large length. Contact 74 and the conductors associated with it must therefore be well insulated. This contact, as can be seen from FIG. 1, is connected directly to terminal 85, which ensures the oonnection with the element to be examined
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or measure. It is therefore necessary to complete! * A connection through the metal wall of the cabinet.
This is done without sacrificing strong insulation by using a conductor 112 extending between contacts 74 and flexible wire 35 and passing this conductor 112, at the point where it passes through the middle wall of the cabinet, through a strong sleeve. glass 118 which surrounds it and extends along this conductor 112 over a significant distance on each side of the metal wall. The terminal wire 86, which connects the electrode 15 of the element to the reversible switch 38, is at a relatively low potential with respect to the ground and does not need to be carefully insulated. , it is passed through the walls of the cabinet by a simple rubber or bakelite sleeve 114.
The apparatus is used as follows: the post 84- is withdrawn from the compartment 83, the clamp 87 is raised along the rod 86 to remove the electrodes from the vessel 12 and the solution to be examined is placed in this vessel. Next, the electrodes 14 and 15 are lowered into the solution and the post 84 is put back into the compartment 88, then the connection to the electrodes is completed by inserting the ends of the conductors 85 and 86 into the small masses of mercury placed. in the upper ends of the two electrodes, the cover 93 can then be closed to electrostatically completely protect the element and the connecting conductors which go thereto,
A potentiometer is then connected to terminals 8 and 9 located outside the box 80 and the amplifier is then energized by turning switch 64 to the "current" position. The cathodes of the lamps heat up in
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relatively few seconds and in less than a minute the milliammeter 4 gives a constant measurement. The current flowing through the milliammeter can be adjusted to bring the needle to a desired region on the meter scale by first rotating the coarse adjustment knob 70a to the right or to the left, as necessary, and by then rotating the fine adjustment knob 71a which, as already mentioned, allows the selection of the desired sensitivity of the instrument.
Naturally, during the preceding operations, the button 95 was not touched and consequently the contact 72 is connected against its posterior contact 73, by connecting the grid 53 of the first lamp to the cathode of the lamp by the resistance to negative bias, so that there are no more potentials in the gate circuit. It is therefore evident that if now the contact lever 72 is moved from contact 73 to contact 74, the same milliammeter reading is only obtained when there is a zero potential difference between terminals 85 and 40. , that is to say (according to fig. 1) when the potential of the voltalque element 2 is exactly equal and of opposite polarity to the potential printed at terminals 39 and 40 by the potentiometer device 1.
The next operation is to adjust the potentiometer connected to terminals 8 and 9 until the same indication is read on the milliammeter when button 85 is either in the normal position or pressed.
It may be necessary to actuate the reversible switch 38 to properly connect the potentiometer 1 to the voltalque element 2.
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When the milliammeter indicates that a balance has been achieved, the indication from the potentiometer is read and this indication gives exactly the potential of element 2, which is a measure of the acidity of the solution being examined or measured.
An amplifier constructed as described provides sufficient amplification to give an indication on a milliampere meter having a range of 0 to 1 milliampere or a deviation of 1 milliampere from the needle for a change of 1 millivolt in the input potential to the grid circuit of lamp 50. In terms of aoidity, this means that the device detects a change in acidity of less than 0.01 pH unit, which is many times the sensitivity required for most applications. - cations. It is important to note that the capacitance of the measuring circuit is so low, thanks to the filter grid lamp 50, and the resistance is high that it cannot pass enough current through the cell to affect it. appreciably ter the potential of the element, even before the state of equilibrium is obtained.
This is all, 4-. essential to obtain the maximum measurement precision with the glass electrode.
The device is mechanically robust because it does not contain delicate elements. The most sensitive element in the apparatus is the milliampere meter 4, which is nevertheless relatively robust and which cannot be disturbed by ordinary handling. The apparatus is also electrically robust since it is not possible to actuate it in any way to pass a current of more than 1 milliampere through the
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milliammeter. This is due to the non-linearity of the characteristic curve of the output or anode current to the tap gate potential. This curve has a short region of maximum tilt and when the amplifier is actuated in this region maximum sensitivity is obtained.
When the gate potential is set to either side of this region, the sensitivity decreases and the decrease is accelerated as the gate potential moves away from this region. In cases of limitation, when the gate potential becomes more and more positive, the anode current of the output lamp 51 decreases and as the gate potential becomes more and more negative, the anode current of the lamp
51 increases. However, it follows from the low anode voltage (27 volts) of the output lamp 51 that the gap current is limited to 1 milliampere and that the output current cannot exceed this value, even assuming that a potential of relatively large negative gate is applied to the first lamp.
Obviously, controlling the incoming gate potential, using knobs 70a and 71a, provides a quick and convenient way to select the desired sensitivity of the instrument. In addition, the described current limiting characteristics provide valuable protection since it is impossible to damage the meter 4 by excessive currents, either by careless handling or by applying excessive potentials to them. socket terminals 35 and 40.
It is evident from the above description that the circuit described constitutes an amplifier
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non-linear which is ideally suited for the intended purposes, It constitutes a measuring device of great sensitivity and great stability, but which however automatically protects the delicate voltaic element from harmful polarization effects and which also protects the indicating instrument by automatically preventing currents greater than its ability. The microphone effects which usually accompany high sensitivity vacuum tube amplifiers are not significantly present with the present invention.
This constitutes another valuable feature which allows the use of the apparatus in many places, for example in factories, where the vibrations prevent the use of galvanometers or other delicate instruments.
The apparatus has the advantage of being relatively inexpensive to manufacture, because all of its parts are more or less common and can be purchased commercially at low cost. Thus the lamps used can be found in almost all TSF accessory stores, as well as the batteries, resistors and other items used.
This device also costs very little in maintenance costs. Due to the low current consumption by the lamps used, the cells or dry cells constituting the battery 60 last for many months with ordinary use and are relatively inexpensive to replace. the current taken from the other batteries is so low that their lifespan in the device is roughly equal to their shelf life. It was further found that the device can be used almost
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without any reduction in sensitivity or stability even when the battery potentials have fallen to 2/3 of their initial value, the only compensation needed for the reduced potentials being obtained by adjusting the gate potential of the lamp 50.
It should be observed that the glass electrode and the oalomel electrode have been shown relatively large in the drawings for the sake of clarity. In fact, electrodes are used which have active surfaces of only a few square millimeters. and which only require a drop of solution between them as an electrolyte.
Although the preferred embodiment of the invention has been described, the latter is obviously not limited to the details described, which can naturally vary to a great extent without departing from the scope of the invention defined by its principles.
CLAIMS
1 - Instrument for measuring acidity and potential, comprising an amplifier with lamps or vacuum tubes whose tap terminals are intended to be connected to the source of potential to be examined or measured and whose output circuit contains the current indicating instrument, this device comprising elements for distributing to the amplifier an anode potential of such magnitude with respect to the characteristics of the amplifier that the maximum output current of the amplifier is lower than the capacity of maximum current for the safety of the indicating instrument.