DD221562A1 - Vorrichtung zur erfassung der leitfaehigkeit von fluessigkeiten - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Erfassung der Leitfaehigkeit von Fluessigkeiten beschrieben, die sich in bezug auf bekannte Vorrichtungen durch eine hohe Dynamik und geringe Stoeranfaelligkeit auszeichnet. Die Messwerterfassung erfolgt mikrorechnergesteuert. Das Messprinzip ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Messobjekt mehrere kurze positive und negative Stromimpulse aufgepraegt und die Impulsantworten zur Verarbeitung einem Mikrorechner zugefuehrt werden. Fig. 1

Description

Titel der Erfindung

Vorrichtung zur Erfassung der Leitfähigkeit von Flüssigkeiten«

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Leitfähigkeit von Flüssigkeiten insbesondere in strömenden Kreisläufen, wie Elektrolyten in galvanotechnischen Anlagen oder flüssige Medien in chemischen Verfahren, welche unmittelbar an einem Mikrorechner zur Verfahrensüberwachung gekoppelt ist. Das Meßprinzip ist durch instationäre Widerstandsmessung mittels kurzzeitiger Stromimpulse gekennzeichnet.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Das gebräuchlichste Prinzip zur Erfassung der Leitfähigkeit von Flüssigkeiten beruht auf der Impedanzmessung in Brückenschaltungen. Hier wird die zu messende Flüssigkeit in speziellen Leitfähigkeitsmeßzellen, die je nach Konstruktion 2 4 Elektroden enthalten, mit einem Wechselstrom bestimmter Frequenz beaufschlagt und nachfolgend im Brückenabgleich die Impedanz ermittelt. Man erhält die Leitfähigkeit der Flüssigkeit als Produkt aus dem V/irkanteil der Impedanz, dem Leitwert und der vorher ermittelten Zellkonstante. Es gibt eine Vielzahl von Vorrichtungen, die dieses Grundprinzip benutzen und den Brückenabgleich durch spezielle elektronische Schaltungen automatisch ermöglichen. Auch ist durch spezielles Eineichen der Meßzellen an solchen Geräten eine direkte Anzeige der Leitfähigkeit analog, oder durch Wandlung digital

gegeben. Gemäß der Vorrichtung nach (EP 0010823A1) wird eine Leitfähigkeitsmeßzelle mit einem Kondensator als RC- Glied geschaltet und elektronisch eine Frequenz in Abhängigkeit vom Leitwert der Zelle erzeugt. Die Größe der Leitfähigkeit kann aus der Differenz der mit Hilfe eines Referenzwiderstandes erzeugten Frequenz präzisiert werden. Die digitale Anzeige und Eingabe in einen Mikrorechner ist hier einfach möglich.

Ein weiterer Vorschlag (DE 2822943) zur Leitfähigkeitsmessung beruht darauf, daß in einer Plüssigkeitsleiterschleife mittels Primärspule eine Spannung induziert wird, deren Größe von der Leitfähigkeit der Flüssigkeit abhängt. Als elektrisches Maß für die Leitfähigkeit dient eine in einer Sekundärspule induzierte Spannung oder eine abgeglichene Resonanzfrequenz. Diese Vorrichtung erfordert einen hohen materialien Aufwand und große Präzision. Bei der Methode mit Resonanzfrequenzabgleich ist eine einfache digitale Erfassung möglich.

Alle hier angeführten Vorrichtungen haben den Nachteil, daß sie bedingt durch die Verwendung von Y/echselgrößen empfindlich auf Phasenverschiebungen und Überlagerungen anderer Wechselgrößen reagieren, die durch den Einfluß äußerer elektrischer oder magnetischer Felder entstehen können. Weiterhin müssen die Zuleitungen zu den Meßzellen möglichst kurz gehalten werden, damit der Einfluß ihrer Impedanzen auf den Meßwert minimal bleibt. Auch ist die Anfälligkeit auf mechanische Erschütterungen sehr groß. Die direkte digitale Erfassung ist nicht in allen Fällen gegeben.

Bei der Vorrichtung DD 103602 werden zur Leitfähigkeitsmessung nicht wechselnde Stromimpulse mit einer Länge von 0,25 s genutzt. Die Leitfähigkeitsmeßzelle wird mit einem Elektrolytkondensator als RC-Glied geschaltet, wobei die im Kondensator gespeicherte Energie ausschlaggebend für den Wert der Leitfähigkeit ist. Der Nachteil dieser einfachen Einrichtung besteht darin, daß nur solche Flüssigkeiten genutzt werden können, aus denen bei Stromfluß kein störender Stoffumsatz an den Elektroden der Meßzelle erfolgt. Weiterhin wird der Meßfehler sehr hoch (2,5 %), da in der Zeit von 0,25 s bereits

störende Polarisationserscheinungen auftreten, die den Meßwert merklich beeinflussen. Alle dargestellten Meßprinzipien haben ferner den Nachteil, daß sie sehr träge und für eine schnelle Meßwerterfassung ungeeignet sind.

Ziel der Erfindung

Auf Grund der beschriebenen Nachteile stellen die bisher bekannten Vorrichtungen zur schnellen und störungsarmen Messung sowie Erfassung der Leitfähigkeit von Flüssigkeiten keine optimalen und genügend einfache Methoden dar. Sie sind für die Ankopplung an einen verfahrensüberwachenden Mikrorechner wenig geeignet.

Es ist deshalb Ziel der Erfindung, eine einfache Vorrichtung zur schnellen Erfassung der Leitfähigkeit von flüssigen Medien, insbesondere von strömenden Elektrolyten zu entwickeln, die weitestgehend unabhängig von mechanischen Störgrößen, Impedanzen der Zuleitungen und dem Einfluß von äußeren magnetischen und elektrischen Feldern ist, von einem Mikrorechner gesteuert wird und die sofortige Verarbeitung der Leitfähigkeitswerte im Rechner ermöglicht.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem Strömrohr als Meßzelle an dessen Enden jeweils dünne drahtförmige Elektroden aus Platin oder anderen inerten Elektrodenmaterialien befestigt sind. An den Enden des Strömrohrs befinden sich ebenfalls, seitlich versetzt, je ein Flanschteil für den Zu- und Ablauf der Meßflüssigkeit. Die Meßzelle ist über die Flanschteile entweder als Bypaß mit einer übergeordneten von der Meßflüssigkeit durchströmten Anordnung verbunden oder wird mittels einer seperaten Pumpe direkt mit der Meßflüssigkeit gespeist. Die Elektroden sind direkt mit den Ausgängen des Lastzweiges einer peripheren Meßwerterzeugungseinheit verbunden, die über eine parallele Ein- und Ausgabe (PIO) an einem Mikrorechner angeschlossen ist. Die periphere Meß-

werterzeugungseinheit verbunden, die über eine parallele Ein- und Ausgabe (PIO) an einem Mikrorechner angeschlossen ist. Die periphere Meßwerterzeugungseinheit setzt sich aus den Funktionsgruppen

- Parallele Ein- und Ausgabe (PIO) mit Anschluß an einem D/A-Wandler

- Spannungsgeregelte Stromquelle mit fg >1OkHz

- Spitzenwerthalteschaltung

- Komparator als Erzeuger von Interrupten

- Koeffizientenglied

- Parallele Ein- und Ausgabe (PIO), mit Anschluß an Analogschaltern und einem Meßbereichsumschalter

zusammen.

Beim Ablauf des Meßvorganges werden mikrorechnergesteuert nacheinander ein oder mehrere positive und negative kurze Stromimpulse über die Meßwerterzeugungseinheit mit D/A-Wandler, Koeffizientenglied und spannungsgesteuerter Stromquelle auf die Meßzelle geprägt. Der entsprechende Spitzenwert der Spannung, der bei einem softwaremäßig vorgegebenen Spitzenstrom auftritt, wird in einer Spitzenwerthalteschaltung analog gespeichert, nachfolgend mittels D/A-Y/andler und Komparator ausgezählt und über die parallele Ein- und Ausgabe (PIO) dem Mikrorechner zugeführt. Die Berechnung der Leitfähigkeit geschieht anschließend softwaremäßig durch Inversion im Mikrorechner. Zur genaueren Ermittlung der Leitfähigkeit können mehrere Messungen mit anschließender statistischen Auswertung durchgeführt werden. Zweckmäßigerweise werden zur Vermeidung von Überschwingungserscheinungen und unnötiger Zellbelastungen als Stromimpulse Sägezahnimpulse angewendet. Um eine hohe Dynamik der Meßwerterzeugung zu erreichen, werden zweckmäßige Impulslängen von t. < 5 x 10 s gewählt. Gleichzeitig werden dadurch störende Polarisationserscheinungen minimiert. Durch die alternierenden Stromimpulse wird ein Stoffumsatz an den Elektrodenoberflächen unterbunden. Für stark leitende Elektrolyte sind zur Vermeidung von Störungen die Meßzellen zweckmäßigerweise so auszulegen, daß ihre Zellkonstanten in einem Bereich von 50...200 cm liegen. Weiterhin ist softwaremäßig je nach Anordnung eine Umschaltung auf verschiedene Meßbereiche möglich.

Ausführungsbeispiel·

Die erfindungsgemäße Vorrichtung soil· nachstehend an einem Ausführungsbeispiel· zur Leitfähigkeitsmessung näher beschrieben werden- Das Biockscha^biid der el·ektronischen Schaltung zeigt Biid 1.

Die Vorrichtung besteht aus einem Mikroprozessorsystem 1 , einer paral·l·el·eп Ein- und Ausgabe (PIO) 2, einem 8- bit D/A-IYa η dl er 3, einem Koeff izientenglied 4, einer spannungsgeregelten Stromgue^e 5, einer Spitzeпwerthal·teschal·tuпg 6, einem Komparator 7 zur Interruptaus^sung, einem Meßbereichsumschal·ter 8 und der Leitfähigkeitsmeßzel·l·e 9 mit einer Konstanten von 74,5 cm" · Softwaremäßig ist die Steuerung so festgeiegt, daß nacheinander 4 aiternierende Sägezahnstromimpuise mit einem Scheiteiwert von 10 mA im Meßbereich von 0,1 · · .1 Scm" durch die Ъeitfähigkeitsmeßzel·l·e 9 fl·ießeп, wobei die Spitzenspannungswerte für stark ieitende Eiektrol·yte bei Ο,7···7 V liegen. Diese Spitzenspannungswerte werden mit Hiife des D/A-V/aпdl·ers 3 ausgezählt, wobei die Zähl·uпg durch den von dem Komparator 7 ausge^sten Interrupt gestoppt wird. Die Zeitdauer je Impuis beträgt 1 ms. Die Berechnung eines Meßwertes erfol·gt durch Mittel·wertbil·duпg aus ca. 40 Messungen womit ein reiativer Pehier < 1 % bei einer Verarbeitungsbreite von 8 bit wird. Pur einen schwefel·saureп Kupferel·ektrol·yteп der Zusammensetzung 200 g/l· GuSO. χ 5 HpO +100 g/l· H₉SO. wurde mit dieser Vorrichtung bei einer Tem-

o - -1

peratur von T = 25 C eine Leitfähigkeit von 301 + 1 mScm angegeben.

Claims (2)

1. Erfindungsansprückxj;

   1. Vorrichtung zur Erfassung der Leitfähigkeit von Flüssigkeiten, gekennzeichnet dadurch, daß einer mit der Flüssigkeit durchsetztem Meßzelle an den inerten Elektroden über eine mikrorechnergesteuerte Meßwerterzeugungseinheit ein oder mehrere positive und negative kurze Stromimpulse aufgeprägt, der entsprechende Spitzenwert der Spannung in einer SpitzenwerthalteschaItung analog gespeichert, nachfolgend mittels D/A-Wandler mit Komparator ausgezählt und als digital verschlüsselte Größe einer parallelen Ein- und Ausgabe (PIO) eines Mikrorechners zur Meßwertverarbeitung zugeführt wird.
2. 2. Vorrichtung nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß zweckmäßigerweise als eingeprägte Stromimpulse Sägezahnim— pulse einer Länge von t. < 5 x 10 s gewählt werden.

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