Vorrichtung zum Messen von Leitfähigkeiten, insbesondere von Elektrolyten
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen von leifähigkeiten, insbesondere denjenien von Elektrolyten, mit einem Wechselspannungsgenerator und mit einem Messelement, das die vom Generator gelieferte Spannung entsprechend der zu messenden Leitfähigkeit moduliert, wobei die modulierte Spannung, gagebenenfalls nach Verstärkung, demoduliert wird, wobei weiterhin ein Temperaturausgleich mittels eines temperaturabhängigen Widerstandes durchgeführt wird, der auf der. gleichen Temperatur wie das Messelement gehalten wird.
Die Leitfähigkeit K eines Elektrolyten ist sbark temperaturabhägig. die Bezieung wird durch
Kt = K0 [1+a(T-T)] gegeben, wobei der Temperaturkoeffizient a = 1, 5... 3, 5 % je C sein kann, in Abhängigkeit von der Art des Elektrolyten.
Die Leitfähigkeit K wird stets bei einer Temperatur T gemessen, während man sich für die Leitfähigkeit Ko bei einer Tempsratur Top im allgemeinen 20 C, interessiert, weil dieser Wert Ko ein bekannter Masstab für die Konzentration der Lösung ist. Es ist daher erwünscht, einen Temperaturausgleich durchzuführen.
Die Umwandlung des Wertes der Leitfähigkeit in den Wert bei 20 C kann auf verschiedene Weisen erfolgen. Die Leitfähigkeit Kt und die emperatur T können unabhängig voneinander gemessen werden, wonach sich mit Hilfe der obenstehenden Formel Ko errechnen lässt.
Dieses Verfahren ist umständlich, was auch für ein ähn liches Verfahren zutrifft, bei dem die Temperaturkor rekbur durch die Einstellung der Empfindlichkeit des Messgerätes mit Hilfe eines Poteintiometers erhalten wird.
Ein selbsttätiger Temperaturausgleich kann dadurch ermöglicht werden, dass in einer Brüokenschaltung, an deren einer Diagonale eine Wechselspannung wirksam ist, sowohl die Messzelle als auch ein Widerstandsele- ment mit der gleichen Temperaturabhängigkeit wie die gemessene Leitfähigkeit aufgenommen werden, wobei die Spammnig an der anderen Diagonale demoduliert wird. Dieses Widerstandschlement kann eine sogenannte Bezugszelle sein, d. h. eine verschlossene und mit einem bekannten Elektrolyten gefüllte messzelle, die ganz in die zu prüfende Flüssigkeit eingetaucht wird.
Der Ausgleich ist vorzüglich, aber das Element ist voluminös und träge ; es enthält eine stillstehende Flüssigkeit und muss für Messungen) anderer Elektrolyten meist neu gefüllt werden, um, den Temperaturkoeffizienten anzupas- sen. Als Ausgelichtselement in der Brücke werden somit auch Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizien- ten angewandt. Der Temperaturkoeffizient dieser Widerstände ist gross und muss daher mit Hilfe von Parallel-und Reihenwiderständen dem der zu messenden Flüssigkeit angepasst werden. Diese Elemente weisen ausserdem enen exponentiellen Verlauf des Widerstandes mit der Temperatur auf, während sie ncht leicht reproduzierbar sind. Ein geeigneter Temperaturausgleich lässt sich daher in einem grossen Temperaturbereich schwer erzielen.
Die Erfindung bezeckt, eine Vorrichtung zu schaf fen, welche die erwähnten nachteile nicht oder in viel geringerem Masse aufweist. Die Erfindung besteht dar- in, dass der Widerstand einen positiven Temperaturkoefizienten aufweist, wobei deiser Weiderstand einen Teil einer Brückensohaltung bildet, die in den Rück kopplungskreis eines. aktiven Vierpols aufgenommen ist, während die Brücke derart bemessen ist, dass die rück- gekoppelte Spannung bei Temperaturänderungen eine relative Änderung aufweist, die nahezu gleich der der Spannung am Element ist.
In diesem Fall kann ein in die zu messende Flüssig- keit getauchter und in eine Brückenschaltung aufgenom- mener temperaturemfindlicher Widerstand mit einem Temperaturkoeffizienten ss Anwendung finden. Es kann leicht nachgewiesen werden, dass die Ausgangsspannung der Brücke, wenn diese weitere feste Wi. derstände ent- hält, proportional ist zu [1+a (T-T.)] wobei a durch Änderungen eines der anderen Wider standzw'eige der Brücke auf jeden erwünschten Wert oberhalb oder unterhalb des Wertes ss eingestellt werden kann.
Bei der Aufnahme einer solchen Brücke in den Gegenkopplungskreis eines Verstärkers mit genügender Verstärkung ergibt sich eine Schaltungsanordnung mit einer Verstärkung proportional zu
1/[1+a(T-T6)]
Wird nun die Leitfähigkeitsmesszelle in eine Schal tungsanordnung aufgenommen, die eine Ausgangsspan- nung proportional zu
K0[1+a(T-T0)] liefert und dieses Signal als Eingangsspanmmg für den erwähnten Verstärker verwendet, dann ist die Ausgangsspanung des Verstärkers proportional zu Ko und somit unabhängig von der Temperatur.
Als Temperaturaufnehmer in der Brücke lässt sich vorteillhafterweise ein Nickelweiserstandsthermometer von 100. # anwenden.
Statt eines Verstärkers mit Gegenkopplung über eine Brückenschaltung, wie oben beschrieben, kann auch ein Oszillator mit einer gewissen Gegenkopplung der er- wähnten Art angewendet werden.
Als Brückenschaltung kann jede Schaltungsaordnung mit passiven Elementen angewandt werden, bei der die Änderung der Ausgangsspannung mit der Temperatur durch Ätherng eines der Brückenzweige einstellbar ist.
Die Erfindugn soll anhand nachfolgender Beschreibung und der Zeichnung, die einige Ausführungsbei- spiele der Erfindung zeigt, näher erläutert werden.
In Fig. l bezeichnet 1 die Leitfähigkeitsmesszelle, die im wesentlichen aus zwei oder mehreren in den zu messenden Elektrolyten getauchten Elektroden oder aus einem induktiven Element ohne Elektroden besteben kann, an der bzw. dem eine vom OsziNlator 3 herrühende Wechselspannung wirksam ist. Dadurch entsteht an den Ausgangsklemmen des Aufnehmers 2 eine Wechsel- spannung, die entsprechend den Änderungen der Leitfä higkeit des Elektrolyten moduliert ist. Femer wird ein Temperaturausgleich druchgeführt. Zu diesem Zweck ist ein Verstärker 4 vorgesehen, dessen Ausgangsspannung über einen Transformator 5 einer Brückenschaltung 12 zugeführt wird, die die Widerstände 6, 7, 8 und 9 enthält.
Einer dieser Widerstände ist als Widerstandsther- mometer ausgebildet, das in die zu messende Flüssigkeit getaucht ist und somit stets die gleiche Temperatur wie diese Flüssigkeit hat. Die Brückenschaltung ist derart eingestelt, dass die Spannung an der zweiten Diagonale den gldichen Verfauf mit der Temperatur wie die Leitfä- higkeit der zu messenden Flüssigkeit aufweist. Die Spannung über diese Diagonale ist als Gegenkopplungs-. spannung an den Eingangsklemmen des Verstärkers 4 wirksam, wodurch der erwünschte Temperaturausgleich erzielt wird. Die Spannung an den Ausgangsklemmen 10 ist dann proportional zur Leitfähigkeit Ko (bei einer Temperatur To) und kann unmittelbar mit einem linearen Weichselspannungsmessinstrument gemessen werden.
Der Temperaturkoeffzient der Ausgangsspanung der Brücke muss gleich dem des Elektrolyten gemacht werden. Wenn dies durch Änderung eines der Wider stände, z. B. des Widerstandes 8, erfolgen würde, wäre die Grösse der Ausgangspannung bei einer Temperatur T0 auc noch von der Einstelung dieses Widerstandes abhängig. Dies ist unerwünscht, da die Rückkopplung dann von dem Eingestellten Temperaturkoeffizienten abhängig sein würde. Dieser Nachteil kann durch die Anwendung der in Fig. 2 gezeigten Brücke behoben werden.
In Fig. 2 ist de Widerstand 6 in zwei Wierstände 11 und 11'unterteilt, von denen der zweite als Potentio- meter ausgebildet ist, dessen Abgriff mit dem Widerstand 8 verbunden ist. Es versteht sich leicht, dass dabei die Einstellung des Potentiometers, wenn der Temperatrukoeffizient der Ausgangsspannung der Brücke dem des Elektrolyten angep, asst wind, nahezu keinen Einfluss auf die rückgekoppelte Spannung b. ei T = To zu haben braucht da, wenn der Potentiometer nach oben verschoben wird, das Verhältnis zwischen der Ausgangsspan- nung der Brücke und der Spannung zwischen diesem Abgriff und dem Diametralpunkt der Brücke kleiner wird. Die letztgenannte Spannung wird dann jedoch grösser.
Durch eine günstige Bemessung der Brücke ist somit erzielbar, dass bei T = T0 die rückgekoppelte Span nung bei jeder Einstellung des Potentiometers 11' nachezu die gleiche bleibt Dazu kann bemerkt werdet dass die besten Ergebnisse erzielt werden, wenn auch. noch ein fester Widerstand 24 zwischen den Potentiometer- abgriff und den Diametraphlunkt der Brücke gescaltet wird. In Fig. 2 wird weiter die Ausgangsspannung einer gesonderten Wicklung des Transformators 5 entnom- men.
Die Vorrichtung nach der Erfindung kann nicht nur zum Messen von Leitfähigkeiten, sondern auch zum Ausgleichen mechanischer Drücke oder Spannungen n angewandt werden. Dabei finden sogenannte Dehnungs- messtreifen Anwendung, deren Widerstandswert von dem darauf ausgeübten Zug oder Druck abhängig ist.
Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung, bei der durch Gegenkopplng in dem die Messpannung liefernden Oszillator eine gleiche Wirkung wie bei der beschriebenen Vorrichtung erreicht wird. Die Schaltungsanordnung ist die eines RC-Oszillators mit einer Brückenschaltung 15 und zwei Verstärkern 13 und 14. Die Rückkopplung durch diese Schaltungsanordnung ist positiv, so dass Schwin gungen erzeugt werden, Frequenz druch die Eigenschaften des Netzwerkes 15 bestimmt werden. Die Brücke 12, die gleich der der Fig. 2 ist, sit in den Rückkopplungskries aufgenommen und ist der Einfachheit halber nur schematisch dargestellt. Sie kann derat eingestellt werden, dass der oszillator am Eingang der Vorrichtung 2 eine Spannung Va liefert, welche druch die Formel
Va = V0 / [1 + 1 (T-T0)] ausgedrückt werden kann.
Der Oszillator liefert die
Spannung für die Vorrichtung 2, die an den Ausgangs- klemmen 16 eine Spannung liefert, die proportional der Leitfähigkeit K der Zelle 1 und der Spannung Va am Ausgang des Verstärkers 13 ist. Infolge der obener- wähnten Temperaturabhängigkeit von K ist die von der Vorrichtung 2 gelieferte Spannung dann proportional zu Ko und somit hinsichtlich der Temperatur ausgeglichen.
Fig. 4 zeigt eine vorrichtung mit einem Vierelektro denaufnehmer 18, dessen äussere Elektroden die Stromelektroden und desson innere Elekroden die Span nungselektroden sind. Die zu messende Spannung wird einem Widerstand 25 entnommen, der in den Stromkreis geschaltet ist. Die Brücke 12 ist zwischen zwei Verstärkern 19 und 20 im Rückkopplungskreis des Oszillators 23 aufgenommen. Die Schaltungsanordnung sorgt dafür, dass die Spanung am @ Ausgang des Verstärkers und so- mit auch die Spannung am Eingang konstant bleiben.
Infolge der Ausgangsspannung der anhand der Fig. 2 bereits beschriebenen Brücke müssen die Aus gangsspannung und somit auch die Eingangspannung des Verstärkers gleich
VB [1+a(T-T0)] sein, wobei VB eine konstante Spannung dartellt. Die Spannung am Eingang des Verstärkers 19 ist gleich der an der Spannungselektrode der Zelle. Der Strom durch h die Zelle wird daher derart eingestellt, dass er propor- tional der spezifischen Leitfähigkeit K und dieser Spannung ist. Dieser Strom und die Spannung über dem Widerstand 25 sind somit proportional zu Ka.
Device for measuring conductivities, in particular of electrolytes
The invention relates to a device for measuring conductivity, in particular that of electrolytes, with an alternating voltage generator and with a measuring element which modulates the voltage supplied by the generator in accordance with the conductivity to be measured, the modulated voltage being demodulated, if necessary after amplification, wherein temperature compensation is also carried out by means of a temperature-dependent resistor which is on the. the same temperature as the measuring element is maintained.
The conductivity K of an electrolyte is largely temperature-dependent. the relationship is through
Kt = K0 [1 + a (T-T)], where the temperature coefficient can be a = 1.5 ... 3.5% per C, depending on the type of electrolyte.
The conductivity K is always measured at a temperature T, while one is interested in the conductivity Ko at a temperature Top, generally 20 C, because this value Ko is a known measure for the concentration of the solution. It is therefore desirable to perform temperature compensation.
The conversion of the value of the conductivity into the value at 20 C can be done in different ways. The conductivity Kt and the temperature T can be measured independently of one another, after which Ko can be calculated using the above formula.
This procedure is cumbersome, which also applies to a similar procedure in which the temperature correction is obtained by setting the sensitivity of the measuring device with the aid of a potentiometer.
An automatic temperature compensation can be made possible that in a bridge circuit, on one diagonal of which an alternating voltage is effective, both the measuring cell and a resistance element with the same temperature dependence as the measured conductivity are recorded, with the spamming demodulating on the other diagonal becomes. This resistance element can be a so-called reference cell, i. H. a sealed measuring cell filled with a known electrolyte, which is completely immersed in the liquid to be tested.
The balance is excellent, but the element is voluminous and sluggish; it contains a stationary liquid and usually has to be refilled for measurements) of other electrolytes in order to adjust the temperature coefficient. Resistors with negative temperature coefficients are therefore also used as the compensation element in the bridge. The temperature coefficient of these resistances is large and must therefore be adapted to the liquid to be measured with the aid of parallel and series resistors. These elements also show an exponential curve of resistance with temperature, while they are not easily reproducible. A suitable temperature equalization is therefore difficult to achieve over a wide temperature range.
The invention bezeckt to schaf fen, which does not have the disadvantages mentioned or to a much lesser extent. The invention consists in that the resistor has a positive temperature coefficient, with this resistor forming part of a bridge holding that is in the feedback circuit of a. active quadrupole is added, while the bridge is dimensioned such that the feedback voltage has a relative change in temperature changes that is almost equal to that of the voltage on the element.
In this case, a temperature-sensitive resistor with a temperature coefficient of ss can be used, immersed in the liquid to be measured and incorporated into a bridge circuit. It can easily be demonstrated that the output voltage of the bridge if this further fixed Wi. resistance, is proportional to [1 + a (T-T.)] where a can be set to any desired value above or below the value ss by changing one of the other resistance branches of the bridge.
When such a bridge is included in the negative feedback circuit of an amplifier with sufficient gain, a circuit arrangement with a gain proportional to results
1 / [1 + a (T-T6)]
If the conductivity measuring cell is now included in a circuit arrangement, the output voltage is proportional to
K0 [1 + a (T-T0)] and this signal is used as an input voltage for the amplifier mentioned, then the output voltage of the amplifier is proportional to Ko and therefore independent of the temperature.
As a temperature sensor in the bridge, it is advantageous to use a Nickel-Weiss thermometer of 100. #.
Instead of an amplifier with negative feedback via a bridge circuit, as described above, an oscillator with a certain negative feedback of the type mentioned can also be used.
Any circuit arrangement with passive elements can be used as a bridge circuit, in which the change in output voltage with temperature can be set by ethering one of the bridge branches.
The invention will be explained in more detail with reference to the following description and the drawing, which shows some exemplary embodiments of the invention.
In Fig. 1, 1 denotes the conductivity measuring cell, which can essentially consist of two or more electrodes immersed in the electrolyte to be measured or of an inductive element without electrodes on which an alternating voltage originating from the oscillator 3 is effective. This creates an alternating voltage at the output terminals of the transducer 2, which is modulated according to the changes in the conductivity of the electrolyte. Furthermore, a temperature equalization is carried out. For this purpose, an amplifier 4 is provided, the output voltage of which is fed via a transformer 5 to a bridge circuit 12 which contains the resistors 6, 7, 8 and 9.
One of these resistors is designed as a resistance thermometer which is immersed in the liquid to be measured and thus always has the same temperature as this liquid. The bridge circuit is set in such a way that the voltage on the second diagonal has the same course with the temperature as the conductivity of the liquid to be measured. The tension across this diagonal is called negative feedback. voltage at the input terminals of the amplifier 4 effective, whereby the desired temperature compensation is achieved. The voltage at the output terminals 10 is then proportional to the conductivity Ko (at a temperature To) and can be measured directly with a linear Vistula voltage measuring instrument.
The temperature coefficient of the output voltage of the bridge must be made equal to that of the electrolyte. If this stands by changing one of the resistance, z. B. the resistor 8, would occur, the size of the output voltage at a temperature T0 would also still depend on the setting of this resistor. This is undesirable, since the feedback would then be dependent on the set temperature coefficient. This disadvantage can be overcome by using the bridge shown in FIG.
In FIG. 2, the resistor 6 is divided into two resistors 11 and 11 ′, of which the second is designed as a potentiometer, the tap of which is connected to the resistor 8. It is easy to understand that the setting of the potentiometer, when the temperature coefficient of the output voltage of the bridge is matched to that of the electrolyte, has almost no effect on the fed back voltage b. If the potentiometer is moved upwards, it is necessary to have T = To, the ratio between the output voltage of the bridge and the voltage between this tap and the diametrical point of the bridge becomes smaller. However, the latter voltage then increases.
A favorable dimensioning of the bridge thus makes it possible to achieve that at T = T0 the feedback voltage remains the same for each setting of the potentiometer 11 '. It can also be noted that the best results are achieved, even if. a fixed resistor 24 is connected between the potentiometer tap and the diametrical point of the bridge. In FIG. 2, the output voltage is also taken from a separate winding of the transformer 5.
The device according to the invention can be used not only for measuring conductivities, but also for compensating mechanical pressures or tensions n. So-called strain gauges are used, the resistance of which depends on the tension or pressure exerted on them.
3 shows a device in which the same effect as in the device described is achieved by negative feedback in the oscillator supplying the measuring voltage. The circuit arrangement is that of an RC oscillator with a bridge circuit 15 and two amplifiers 13 and 14. The feedback through this circuit arrangement is positive, so that vibrations are generated and the frequency is determined by the properties of the network 15. The bridge 12, which is the same as that of FIG. 2, is included in the feedback circuit and is only shown schematically for the sake of simplicity. It can be set so that the oscillator at the input of the device 2 supplies a voltage Va, which is determined by the formula
Va = V0 / [1 + 1 (T-T0)] can be expressed.
The oscillator delivers the
Voltage for the device 2, which supplies a voltage at the output terminals 16 which is proportional to the conductivity K of the cell 1 and the voltage Va at the output of the amplifier 13. As a result of the temperature dependency of K mentioned above, the voltage supplied by the device 2 is then proportional to Ko and thus balanced with regard to the temperature.
Fig. 4 shows a device with a Vierelektro denaufnehmer 18, whose outer electrodes are the current electrodes and whose inner electrodes are the voltage electrodes. The voltage to be measured is taken from a resistor 25 which is connected to the circuit. The bridge 12 is incorporated between two amplifiers 19 and 20 in the feedback circuit of the oscillator 23. The circuit arrangement ensures that the voltage at the @ output of the amplifier and thus also the voltage at the input remain constant.
As a result of the output voltage of the bridge already described with reference to FIG. 2, the output voltage and thus also the input voltage of the amplifier must be the same
VB [1 + a (T-T0)], where VB represents a constant voltage. The voltage at the input of the amplifier 19 is equal to that at the voltage electrode of the cell. The current through the cell is therefore set in such a way that it is proportional to the specific conductivity K and this voltage. This current and the voltage across resistor 25 are thus proportional to Ka.