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HINTERGRUND DER OFFENBARUNG
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1. Gebiet der Offenbarung
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Diese Schrift bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung elektrischer Leitfähigkeit und ein dieses verwendendes Messsystem für elektrische Leitfähigkeit.
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2. Hintergrund der Offenbarung
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Die elektrische Leitfähigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, einen elektrischen Strom zu leiten, wenn ein elektrisches Feld daran angelegt wird. Die elektrische Leitfähigkeit ist eine Größe, die jeweils zeigt, wie Elektrizität geleitet wird. Die elektrische Leitfähigkeit ist eine der eindeutigen Eigenschaften einer Lösung, und sie ist sehr wichtig bei dem Aspekt, nützliche Information über eine chemische Struktur des gelösten Stoffes, über die Gesamtkonzentration der Ionenart in der Lösung und die Transporteigenschaften, wie etwa der Ionenmobilität, Diffusionsvermögen, Viskosität usw. bereitzustellen.
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Verfahren zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit einer Lösung werden allgemein in ein einen Gleichstrom (direct current, DC) nutzendes Verfahren und ein einen Wechselstrom (alternating current, AC) nutzendes Verfahren aufgeteilt. Es ist allgemein bekannt, das Gleichstrom nutzende Verfahren für eine Lösung mit hoher elektrischer Leitfähigkeit zu verwenden. Jedoch weist das Gleichstrom nutzende Verfahren dahingehend einen Nachteil auf, dass es wahrscheinlich ist, dass ein Messfehler aufgrund einer Polarisation auf einer Oberfläche einer Elektrode erzeugt wird. Dementsprechend wird in den letzten Jahren das Wechselstrom nutzende Verfahren zumeist zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit verwendet.
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Andererseits ist das Wechselstrom nutzende Verfahren in der Lage, das Polarisationsphänomen auf der Oberfläche der Elektrode zu verringern, kann aber leicht durch eine umgebende elektromagnetische Störung beeinträchtigt werden, und seine genaue Analyse kann bei Feldprozessen schwierig sein, wo es viele elektronische Geräte geben kann.
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ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
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Somit ist es ein Aspekt der detaillierten Beschreibung, ein Verfahren zur Messung elektrischer Leitfähigkeit, das in der Lage ist, die elektrische Leitfähigkeit einer Lösung genauer zu messen, und ein dieses verwendendes System zur Messung elektrischer Leitfähigkeit bereitzustellen.
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Um diese und andere Vorteile zu erreichen, und im Einklang mit dem Zwecke dieser Schrift, wie er hier ausgeführt und umfassend beschrieben wird, wird ein Verfahren zur Messung des elektrischen Widerstands und Berechnung der elektrischen Leitfähigkeit bereitgestellt, das umfasst: Erhalten einer Zellkonstante einer Leitfähigkeitszelle unter Verwendung einer Leitfähigkeitsstandardlösung, Gießen einer Lösung, deren Vermessung gewünscht wird, in die Leitfähigkeitszelle, und Anlegen von vorbestimmten Gleichstromspannungen (DC-Spannungen) an Elektroden, die in der Leitfähigkeitszelle angeordnet sind, auf eine solche Weise, dass die vorbestimmten Gleichspannungen stufenweise zu jeder vorgegebenen Zeit (t) geändert werden, Erhalten des Widerstands der Lösung als eine Steigung aus einer linearen Beziehung zwischen der angelegten oder gemessenen Spannung und einem Spitzenstrom, der für jede Spannung gemessen wird, und Berechnen der elektrischen Leitfähigkeit der Lösung unter Verwendung der Zellkonstante und des Widerstands der Lösung.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann das Anlegen durch das stufenweise Ändern der Spannungen ein Schritt des Anlegens der Spannungen durch stufenweises Erhöhen oder Verringern der Spannungen zu jeder vorgegebenen Zeit sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann die vorgegebene Zeit kürzer sein als eine Zeit, zu der das Auftreten der Polarisation auf einer Oberfläche der Elektrode beginnt.
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Die vorgegebene Zeit kann eine gegen 0 konvergierende Zeit sein (t → 0), um die Polarisation auf der Oberfläche der Elektrode zu verhindern.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann der Spitzenstrom ein Strom sein, der zu dem Moment gemessen wird, zu dem die vorbestimmte Gleichspannung angelegt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann das Erhalten der Zellkonstante das Anlegen der vorbestimmten Gleichspannungen an die Elektroden durch stufenweises Ändern der Spannungen zu jeder vorgegebenen Zeit (T) und das Erhalten des Widerstands der Leitfähigkeitsstandardlösung als die Steigung aus der linearen Beziehung zwischen der Spannung und dem Spitzenstrom, der für jede Spannung gemessen wird, umfassen.
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Das Anlegen durch das stufenweise Ändern der Spannungen, im Schritt des Erhaltens der Zellkonstante, kann ein Schritt des Anlegens der Spannungen durch stufenweises Erhöhen oder Verringern der Spannungen zu jeder vorgegebenen Zeit sein.
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Die vorgegebene Zeit kann kürzer sein als eine Zeit, zu der das Auftreten der Polarisation auf einer Oberfläche der Elektrode beginnt.
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Die vorgegebene Zeit kann eine gegen 0 konvergierende Zeit sein (T → 0), um die Polarisation auf der Oberfläche der Elektrode zu verhindern.
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Um diese und andere Vorteile zu erreichen, und im Einklang mit dem Zwecke dieser Schrift, wie sie hier ausgeführt und umfassend beschrieben wird, wird ein System zur Messung des elektrischen Widerstands bereitgestellt, das umfasst: eine Leitfähigkeitszelle mit Elektroden, wobei die Leitfähigkeitszelle eine eindeutige Zellkonstante aufweist, eine Spannungsanlegeeinheit, die eingerichtet ist, vorbestimmte Gleichstromspannungen (DC-Spannungen) an die Elektroden auf eine solche Weise anzulegen, dass die Spannungen stufenweise zu jeder vorgegebenen Zeit geändert werden, eine Strommesseinheit, die eingerichtet ist, einen Spitzenstrom für jede Spannung zu messen, und einen Controller, der eingerichtet ist, den Widerstand der Lösung als eine Steigung aus der linearen Beziehung zwischen der Spannung und dem Spitzenstrom zu erhalten und die elektrische Leitfähigkeit der Lösung unter Verwendung der Zellkonstante und des Widerstands der Lösung zu berechnen.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann die Spannungsanlegeeinheit zum stufenweisen Erhöhen und Verringern der Spannungen zu jeder Zeit eingerichtet sein, die kürzer ist als eine Zeit, wenn das Auftreten der Polarisation auf einer Oberfläche der Elektrode beginnt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann die Strommesseinheit dazu eingerichtet sein, einen Strom in dem Moment zu messen, zu dem die vorbestimmte Gleichspannung angelegt wird.
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Der weitere Umfang der Anwendbarkeit der vorliegenden Anmeldung wird aus der hiernach angeführten Beschreibung deutlicher. Jedoch sollte klar sein, dass die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele, während sie bevorzugte Ausführungsformen der Offenbarung anzeigen, nur zum Zwecke der Verdeutlichung angeführt werden, da verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Geistes und des Umfangs der Offenbarung Fachleuten aus der detaillierten Beschreibung deutlich werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die beigefügten Zeichnungen, die beigefügt sind, um für ein weiteres Verständnis der Offenbarung zu sorgen, und die in diese Patentschrift aufgenommen sind und ein Teil davon darstellen, verdeutlichen Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Offenbarung zu erklären.
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Dabei zeigt:
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1 ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Messen elektrischer Leitfähigkeit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung verdeutlicht;
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2 und 3 sind Skizzen, die ein Verfahren zum Erhalten des Widerstandes einer Lösung derart verdeutlichen, dass DC-Spannungen stufenweise erhöht und Spitzenströme verwendet werden, die für jede Spannung gemessen werden;
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4 eine Skizze, die ein Ausführungsbeispiel eines Systems zum Messen elektrischer Leitfähigkeit gemäß der vorliegenden Offenbarung verdeutlicht;
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5A bis 5F Graphen, die jeweils angelegte Spannungen und die sich ergebenden Ströme in 0,001 M einer KCl-Leitfähigkeitsstandardlösung basierend auf einer Spannungsanlegezeit zeigen;
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6A bis 6G Graphen, die jeweils angelegte Spannungen und die sich ergebenden Ströme in 3 M einer KCl-Leitfähigkeitsstandardlösung basierend auf einer Spannungsanlegezeit zeigen; und
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7A bis 7C Graphen, die jeweils Messergebnisse zeigen, die durch die stufenweise Änderung von Spannungen innerhalb eines Messbereichs von Spannungen darstellen, die an 3 M einer KCl-Leitfähigkeitsstandardlösung angelegt wurden.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER OFFENBARUNG
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Es wird nun eine detaillierte Beschreibung für ein Verfahren zur Messung elektrischer Leitfähigkeit und für ein dieses verwendendes Messsystem für elektrische Leitfähigkeit gemäß den Ausführungsbeispielen angegeben, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
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Zum Zwecke einer kurzen Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden die gleichen oder äquivalente Komponenten mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen versehen, und deren Beschreibung wird nicht wiederholt. Ausdrücke im Singular in der Schrift decken die Ausdrücke im Plural ab, es sei denn, aus dem Kontext ergibt sich in offensichtlicher Weise etwas anderes.
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1 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Messen elektrischer Leitfähigkeit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung verdeutlicht. 2 und 3 sind Skizzen, die ein Verfahren zum Erhalten des Widerstandes einer Lösung derart verdeutlichen, dass DC-Spannungen stufenweise erhöht und Spitzenströme verwendet werden, die für die jeweiligen Spannungen gemessen werden. Das in den 2 und 3 gezeigte Verfahren kann auf ein Verfahren zum Messen des Widerstands einer Leitfähigkeitsstandardlösung und ein Verfahren zum Messen einer Lösung angewendet werden, dessen Messung gewünscht ist.
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Um die elektrische Leitfähigkeit einer Lösung 10 zu messen (siehe 4), kann die Lösung 10 in eine Leitfähigkeitszelle 110 gegossen werden (siehe 4), die ein Paar leitfähiger Elektroden 111 umfasst (siehe 4), und es kann ein Widerstandswert durch ein Experiment erhalten werden. Und die elektrische Leitfähigkeit kann basierend auf dem erhaltenen Widerstandswert berechnet (gemessen) werden. Die elektrische Leitfähigkeit X der Lösung 10 kann dadurch berechnet werden, das eine Entfernung L durch einen Wert (A × R) dividiert wird, der gewonnen wird, indem eine Oberfläche A der Elektroden 111 und ein Widerstandswert R der Lösung miteinander multipliziert werden [X = L/(A × R)].
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Um die elektrische Leitfähigkeit X basierend auf dem Widerstand zu berechnen, wird eine Zellenkonstante C, die eine eindeutige Konstante der Leitfähigkeitszelle 110 ist, durch die Oberfläche A der Elektroden 111 und dem Abstand L zwischen den Elektroden 111 entschieden (C = L/A). Da es jedoch selten möglich ist, die Zellkonstante nur durch das Experiment zu messen, kann jedoch die Zellkonstante durch die Messung eines Widerstandswertes gewonnen werden, der erzeugt wird, wenn eine Leitfähigkeitsstandardlösung, deren spezifische Leitfähigkeit bekannt ist, in die Leitfähigkeitszelle 110 gegeben wird.
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Um die Zellkonstante unter Verwendung der Leitfähigkeitsstandardlösung zu erhalten, kann die Leitfähigkeitsstandardlösung in die Leitfähigkeitszelle 110 gegossen werden, und Gleichspannungen können stufenweise (Schritt für Schritt) zu jeder vorgegebenen Zeit T (S10) verändert werden. Die vorgegebene Zeit kann eine Zeit anzeigen, zu der eine vorgegebene Gleichspannung angelegt wird.
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2 verdeutlicht beispielhaft, dass die Spannungen v1, v2, v3, v4 und v5 sich stufenweise (in der Form von Stufen) zu jeder vorgegebenen Zeit erhöhen. Die Spannungen können sich auch Schritt für Schritt zu jeder vorgegebenen Zeit verringern, oder beliebige unterschiedliche Spannungen können unmittelbar angelegt werden.
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Danach können Spitzenströme für die jeweiligen Spannungen gemessen werden. Wie in 2 gezeigt, kann der Strom aufgrund von Polarisation, die auf einer Oberfläche der Elektrode 111 vom dem Zeitpunkt an auftritt, zu dem die Spannung angelegt wird, allmählich abfallen, wobei er eine Kurve darstellt. Daher kann, wenn die Spitzenströme p1, p2, p3 und p4 vor dem Auftreten der Polarisation gemessen werden, ein Messfehler aufgrund der Polarisation verhindert werden. Dies kann das Erhalten von Daten erlauben, was die Basis zur Berechnung einer korrekteren Zellkonstante ist.
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Hierbei kann die vorgegebene Zeit, zu der eine vorbestimmte Gleichspannung angelegt wird, bevorzugt auf eine Zeit eingestellt werden, die kürzer ist als eine Zeit, zu der das Auftreten der Polarisation auf der Oberfläche der Elektrode 111, die in der Leitfähigkeitszelle 110 angeordnet ist, beginnt. Die Polarisation kann auftreten, sobald eine Spannung angelegt ist. Somit kann die vorgegebene Zeit, nämlich T, bevorzugt auf eine Zeit eingestellt werden, die gegen 0 konvergiert, um die Polarisation auf der Oberfläche der Elektrode 111 zu verhindern.
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Das heißt, Daten einer Spannung und eines entsprechenden Spitzenstroms können derart erhalten werden, dass eine erste Spannung unmittelbar angelegt wird, ein erster Strom (nämlich ein erster Spitzenstrom) gemessen wird, der der ersten Spannung entspricht, eine zweite Spannung unmittelbar angelegt wird, die höher ist als die erste Spannung, und ein zweiter Strom (nämlich ein zweiter Spitzenstrom) gemessen wird, der der zweiten Spannung entspricht.
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Als Nächstes kann, wie in 3 gezeigt, ein Widerstandswert der Leitfähigkeitsstandardlösung als eine Steigung aus der linearen Beziehung zwischen dem Spitzenstrom und der Spannung (S20) erhalten werden. Dementsprechend kann die Zellkonstante basierend auf dem Widerstand berechnet werden.
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Wenn die Zellkonstante entschieden ist, kann die in der Leitfähigkeitszelle 110 enthaltene Leitfähigkeitsstandardlösung entfernt werden, und eine Lösung 10, deren Messung gewünscht ist, kann in die Leitfähigkeitszelle 110 (S30) gegossen werden. Hierbei kann ein Spülprozess unter Verwendung von destilliertem Wasser oder dergleichen bevorzugt durchgeführt werden, um die verbleibende Leitfähigkeitsstandardlösung aus der Leitfähigkeitszelle 110 vollständig zu entfernen.
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Danach können, wie zuvor erwähnt, Gleichspannungen Schritt für Schritt zu jeder vorgegebenen Zeit t (S40) verändert werden, und ein Widerstandswert der Lösung 10 kann als die Steigung aus der linearen Beziehung zwischen dem Spitzenstrom und der Spannung erhalten werden, wobei die für die jeweiligen Spannungen gemessenen Spitzenströme verwendet werden (S50). Die vorgegebene Zeit kann eine Zeit anzeigen, zu der eine vorgegebene Gleichspannung angelegt wird.
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Wie in 2 gezeigt, können sich zum Beispiel die Spannungen v1, v2, v3, v4 und v5 allmählich zu jeder vorgegebenen Zeit t1, t2, t3, t4 und t5 erhöhen, und entsprechende Spitzenströme p1, p2, p3, p4 und p5 können gemessen werden, Umgekehrt können die Spannungen allmählich zu jeder vorgegebenen Zeit abfallen, und entsprechende Spitzenströme können gemessen werden. Da der Widerstand als eine lineare Steigung in dem Graphen dargestellt wird, der die Spannungen in Bezug zu den Strömen zeigt, kann der Widerstand einfach dadurch erhalten werden, indem zwei Spannungen mit unterschiedlichen Größen angelegt werden und zwei Spitzenströme für die zwei Spannungen gemessen werden. Es kann natürlich offensichtlich sein, das ein genauerer Widerstand auf der Basis von mehr Daten erhalten werden kann, wenn die Anzahl des Anlegens einer Spannung steigt.
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Wie in 2 gezeigt, kann der Strom aufgrund der Polarisation, die auf der Oberfläche der Elektrode 11 zu dem Zeitpunkt auftritt, zu dem die Spannung angelegt wird, allmählich abfallen, wobei er eine Kurve darstellt. Wenn der Spitzenstrom, der erzeugt wird, wenn die Spannung vor dem Auftreten der Polarisation angelegt wurde, gemessen wird, kann ein Messfehler aufgrund der Polarisation verhindert werden. Dies kann ermöglichen, den Widerstand zu erhalten, was die Basis für das Messen einer korrekteren elektrischen Leitfähigkeit der Lösung 10 ist.
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Hierbei kann die vorgegebene Zeit zum Ändern der Spannung bevorzugt auf eine Zeit eingestellt werden, die kürzer ist als eine Zeit, zu der das Auftreten der Polarisation auf der Oberfläche der Elektrode 111, die in der Leitfähigkeitszelle 110 angeordnet ist, beginnt. Die Polarisation kann auftreten, sobald eine Spannung angelegt ist. Somit kann die vorgegebene Zeit, nämlich T, bevorzugt auf eine Zeit eingestellt werden, die gegen 0 konvergiert, um die Polarisation auf der Oberfläche der Elektrode 111 zu verhindern. Die vorgegebene Zeit kann eine Zeit sein, die gegen 0 konvergiert, zum Beispiel eine kurze Zeit in der Größe einer Millisekunde, Mikrosekunde oder Nanosekunde.
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Das heißt, Daten einer Spannung und eines entsprechenden Spitzenstroms können derart erhalten werden, dass eine erste Spannung unmittelbar angelegt wird, ein erster Strom (nämlich ein erster Spitzenstrom) gemessen wird, der der ersten Spannung entspricht, eine zweite Spannung unmittelbar angelegt wird, die höher ist als die erste Spannung, und ein zweiter Strom (nämlich ein zweiter Spitzenstrom) gemessen wird, der der zweiten Spannung entspricht.
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Danach kann ein Widerstandswert der Lösung 10, der eine Steigung ist, aus der linearen Beziehung zwischen der Spannung und dem Spitzenstrom erhalten werden. Als Ergebnis kann die elektrische Leitfähigkeit der Lösung 10 basierend auf dem Widerstandswert der Lösung 10 und der Zellkonstante, die unter Verwendung der Leitfähigkeitsstandardlösung erhalten wurde, berechnet werden (S60).
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4 ist eine Skizze, die Ausführungsbeispiel eines Systems zum Messen elektrischer Leitfähigkeit gemäß der vorliegenden Offenbarung verdeutlicht.
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Wie in 4 gezeigt, kann ein Messsystem 100 für elektrische Leitfähigkeit eine Leitfähigkeitszelle 110, eine Spannungsanlegeeinheit 120, eine Strommesseinheit 130 und einen Controller 140 umfassen.
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Die Leitfähigkeitszelle 110 kann mit Elektroden 111 versehen sein und eine spezifische Zellkonstante aufweisen. Hierbei ist die Zellenkonstante eine eindeutige Konstante der Leitfähigkeitszelle 110, die durch die Oberfläche A der Elektrode 111 und dem Abstand L zwischen den Elektroden 111 entschieden wird. Die Zellkonstante kann unter Verwendung der Leitfähigkeitsstandardlösung, wie oben erwähnt, erhalten werden.
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Die Spannungsanlegeeinheit 120 kann vorbestimmte Gleichstromspannungen an die Elektroden 111 derart anlegen, dass die Spannungen Schritt für Schritt zu jeder vorgegebenen Zeit geändert werden. Die Spannungsanlegeeinheit 120 kann vorzugsweise zum allmählichen Erhöhen und Verringern der Spannungen zu jeder Zeit eingerichtet sein, die kürzer ist als eine Zeit, zu der das Auftreten der Polarisation auf der Oberfläche der Elektrode 111 beginnt.
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Die Strommesseinheit 130 kann Spitzenströme für die jeweiligen Spannungen messen. Da ein Maximalstrom (Spitzenstrom) zu dem Moment erfasst wird, zu dem eine Spannung angelegt wird, kann die Strommesseinheit 130 zu dem Moment, wenn die Spannungsanlegeeinheit 130 eine Spannung anlegt, einen Strom auslesen.
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Der Controller 140 kann den Widerstand der Lösung 10 als eine Steigung aus einer linearen Beziehung zwischen der Spannung und dem Spitzenstrom berechnen und dann die elektrische Leitfähigkeit der Lösung 10 unter Verwendung der Zellkonstante und des Widerstands der Lösung 10 berechnen.
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In der Zwischenzeit verdeutlicht 4 nur beispielhaft eine Ausführungsform des Messsystems 100 für elektrische Leitfähigkeit, jedoch darf die vorliegende Offenbarung nicht auf diese Ausbildung beschränkt werden. Das Messsystem 100 für elektrische Leitfähigkeit kann innerhalb des vom Fachmann zu verstehenden Umfangs auf verschiedene Weise variiert werden.
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Im Folgenden wird die erste bis vierte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung detaillierter beschrieben.
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Es wird darauf hingewiesen, dass eine Leitfähigkeitszelle, die in jeder Ausführungsform verwendet wird, sich von der in einem anderen Ausführungsbeispiel verwendeten unterscheidet. Somit kann eine Zellkonstante in jeder Ausführungsform anders sein. Da hier die erste und zweite Ausführungsform dieselbe Leitfähigkeitszelle aufweisen, weisen sie somit dieselbe Zellkonstante auf.
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[Erstes Ausführungsbeispiel] Messung der Zellkonstante einer Leitfähigkeitszelle in 0,001 M einer KCl-Leitfähigkeitsstandardlösung
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Diese Ausführungsform stellt beispielhaft die Messung einer Zellkonstante einer Leitfähigkeitszelle dar. Zunächst wurden, nachdem 0,001 M einer KCl-Leitfähigkeitsstandardlösung, die 127,3 (μS/cm) bei 18° zeigte, und Elektroden in eine Leitfähigkeitszelle gegeben wurden, Spannungen von –5 V bis 5 V an den Elektroden angelegt, jeweils für 0,001 Sekunden mit einem Intervall von 1 V, wodurch Ströme erhalten wurden, die bei den jeweiligen Spannungen gemessen wurden. Danach wurden diese Werte in ein Diagramm eingetragen, um eine lineare Steigung zu erhalten.
| Spannung (V) | –5 | –4 | –3 | –2 | –1 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Strom (nA) | –960 | –773 | –586 | –380 | –184 | –4 | 199 | 401 | 584 | 777 | 984 |
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Da der Widerstand in den 0,001 M KCl-Leitfähigkeitsstandardlösung 1/Steigung beträgt (die Steigung ist eine Stromänderung, die von einer Spannungsänderung abhängt), kann, wenn der Wert der Steigung [194,34 (nA/V)] mittels des Messwertes berechnet wird, der Widerstand der Lösung [5,15 × 106 (Ω)] erhalten werden.
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Eine Zellkonstante kann mittels des gemessenen Widerstands berechnet werden, was durch die Gleichung 1 wie folgt ausgedrückt werden kann. Zellkonstante = elektrische Leitfähigkeit × Widerstand der Lösung (Gleichung 1)
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Wenn der Widerstandswert der Lösung und der bereits bekannte elektrische Leitfähigkeitswert in die Gleichung 1 eingesetzt werden, kann die Zellkonstante wie folgt entschieden werden. Zellkonstante = 127,3 (μS/cm) × 5,15 × 106 (Ω) = 656 (cm–1)
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[Zweites Ausführungsbeispiel] Messung der elektrischen Leitfähigkeit an 0,1 M einer KCl-Leitfähigkeitsstandardlösung
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Das zweite Ausführungsbeispiel verdeutlicht einen Prozess des Messens der elektrischen Leitfähigkeit von 0,1 M einer KCl-Leitfähigkeitsstandardlösung mittels der Zellkonstante der Leitfähigkeitszelle, die in dem ersten Ausführungsbeispiel erhalten wurde. Um den Widerstand in 0,1 M einer KCl-Leitfähigkeitsstandardlösung zu messen, wurde zunächst 0,1 M einer KCl-Leitfähigkeitsstandardlösung in eine Leitfähigkeitszelle gegossen, und danach wurden Spannungen von –5 V bis 5 V an den Elektroden angelegt, jeweils für 0,0001 Sekunden mit einem Intervall von 1 V, wodurch Ströme erhalten wurden, die bei den jeweiligen Spannungen gemessen wurden.
| Spannung (V) | –5 | –4 | –3 | –2 | –1 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Strom (nA) | –79,5 | –62,6 | –44,6 | –28,3 | –10,4 | 6,4 | 23,0 | 40,5 | 56,9 | 74,3 | 91,1 |
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Der Wert einer Steigung, die eine Stromänderung ist, die von einer Spannungsänderung abhängt, wird als 17,052 (μA/V) mittels der Messwerte erhalten, und die 0,1 M KCl-Leitfähigkeitsstandardlösung weist einen Widerstandswert von 5,8644 × 104 (Ω) auf. Die elektrische Leitfähigkeit der 0,1 M KCl-Leitfähigkeitsstandardlösung kann erhalten werden, indem die Zellkonstante durch den Widerstandswert dividiert wird, basierend auf der Beziehung der obigen Gleichung 1. Elektrische Leitfähigkeit der 0,1 M KCl-Leitfähigkeitsstandardlösung = Zellkonstante/Widerstand der 0,1 M KCl-Leitfähigkeitsstandardlösung = 656 (cm–1)/5,8644 × 104 (Ω) = 11,186 (μS/cm).
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Das Berechnungsergebnis zeigt, dass bei Vergleich mit dem bekannten elektrischen Leitfähigkeitswert von 11,167 (μS/cm) bei 18°C die elektrische Leitfähigkeit der 0,1 M KCl-Leitfähigkeitsstandardlösung innerhalb eines Fehlerbereichs von 0,2% gleich der bekannten elektrischen Leitfähigkeit ist.
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[Drittes Ausführungsbeispiel] Messung der elektrischen Leitfähigkeit abhängig von der Spannungsanlegezeit
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Dieses Ausführungsbeispiel verdeutlicht, dass ein genauerer Wert erhalten werden kann, wenn eine kürzere Spannungsanlegezeit eingestellt ist, wenn eine Zellkonstante einer Leitfähigkeitszelle entschieden oder der Widerstand einer Lösung unter Verwendung der Leitfähigkeitszelle gemessen wird. Das heißt, die Spannungsanlegezeit kann bevorzugt so kurz sein, dass Polarisation nicht auf der Elektrode auftritt. Wie aus den experimentellen Ergebnissen zu erkennen, kann ein genauerer Wert erhalten werden, wenn die Spannungsanlegezeit mehr gegen 0 konvergiert.
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Andererseits muss ein Strom innerhalb einer Spannungsanlegezeit gemessen werden. Daher sollte auch die Strommesszeit kurz sein, ähnlich wie die Spannungsanlegezeit.
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Dieses Ausführungsbeispiel verdeutlicht, dass eine Spannungsanlegezeit abhängig von einer Konzentration einer Lösung anders eingestellt werden kann, und dass gleichzeitig eine Spannungsanlegezeit für eine Lösung mit höherer Konzentration bevorzugt kürzer ist als die für eine Lösung mit niedriger Konzentration, da die Polarisation, die als Reaktion auf eine angelegte Spannung auf der Elektrode aufgetreten ist, bei einer 0,001 M KCl-Leitfähigkeitsstandardlösung mit niedriger Konzentration und bei einer 3 M KCl-Leitfähigkeitsstandardlösung mit hoher Konzentration unterschiedlich auftritt.
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Bei der 0,001 M KCl-Leitfähigkeitsstandardlösung mit der niedrigen Konzentration wurden, nachdem eine lineare Steigung berechnet wurde, indem jede Spannungsanlegezeit auf 0,001 Sekunden, 0,01 Sekunden, 0,1 Sekunden, 1 Sekunde, 10 Sekunden und 100 Sekunden eingestellt wurde, und die Veränderungen von Strömen als Reaktion auf die Veränderungen von Spannungen in ein Diagramm eingetragen wurden, wie in den
5A bis
5F gezeigt, die Zellkonstanten wie folgt erhalten. Gemäß den Ergebnissen ist zu bemerken, dass die Zellkonstanten konvergieren, wenn die Spannungsanlegezeit unter 0,1 Sekunden liegt.
| Eingestellte Zeit (s) | 0,001 | 0,01 | 0,1 | 1 | 10 | 100 |
| Zellkonstante (cm–1) | 334 | 336 | 338 | 342 | 352 | 369 |
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Bei der 3 M KCl-Leitfähigkeitsstandardlösung mit der hohen Konzentration wurde jede Spannungsanlegezeit auf 0,00001 Sekunden, 0,0001 Sekunden, 0,001 Sekunden, 0,01 Sekunden, 0,1 Sekunden, 1 Sekunde und 10 Sekunden eingestellt, und die Veränderungen von Strömen als Reaktion auf die Veränderungen von Spannungen wurden in ein Diagramm eingetragen, wie in den
6A bis
6G gezeigt. Nach den Ergebnissen ist zu bemerken, dass die Zellkonstanten in der 3 M KCl-Leitfähigkeitsstandardlösung mit der hohen Konzentration gegen einen Wert konvergieren, der einer Zellkonstante in der 0,001 M KCl-Leitfähigkeitsstandardlösung mit der niedrigen Konzentration ähnlich ist, wenn die Spannungsanlegezeit kürzer ist als 0,00001 Sekunden. Daher kann es angemessen sein, dass die Spannungsanlegezeit auf weniger als 0,00001 Sekunden eingestellt wird.
| Eingestellte Zeit (s) | 0,00001 | 0,0001 | 0,001 | 0,01 | 0,1 | 1 | 10 |
| Zellkonstante (cm–1) | 338 | 341 | 350 | 370 | 426 | 513 | 637 |
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Als solches kann die Spannungsanlegezeit (T oder t) bevorzugt länger als 0 Sekunden und kürzer als oder gleich 0,1 Sekunden sein. Wie aus den experimentellen Ergebnissen ersichtlich, kann sich natürlich die Spannungsanlegezeit in Abhängigkeit von der Konzentration verändern. Das heißt, die Spannungsanlegezeit für eine Lösung mit einer hohen Konzentration kann bevorzugt kürzer als die für eine Lösung mit niedriger Konzentration sein.
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In der Zwischenzeit konnte gemäß den experimentellen Ergebnissen die Spannungsanlegezeit auf 0,0000033 Sekunden (3,3 μs) mit gegenwärtig verwendetem Equipment reduziert werden. Es ist zu erwarten, dass die Spannungsanlegezeit mit technischer Weiterentwicklung des Equipments weiter verringert werden kann, und eine genauere elektrische Leitfähigkeit erhalten werden kann, wenn die Spannungsanlegezeit kürzer ist.
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[Viertes Ausführungsbeispiel] Abhängigkeit vom Bereich der Messspannung und der Anzahl von Messdaten
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Dieses Ausführungsbeispiel verdeutlicht, dass ein Spannungsbereich, der in dem Messsystem für elektrische Leitfähigkeit zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit verwendet werden kann, unbeschränkt ist, und dass die schrittweise Änderung von Spannungen nicht auf eine vorgegebene Anzahl von Stufen und die Form jeder Stufe beschränkt ist.
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Unter den Bedingungen, dass nur eine Leitfähigkeitszelle verwendet wurde, und dass eine Spannungsanlegezeit auf 0,0001 Sekunden eingestellt wurde, wurden Widerstände und Zellkonstanten, die bezüglich einer 3 M KCl-Leitfähigkeitsstandardlösung gemessen wurden, verglichen.
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Messbereiche von angelegten Spannungen betrugen jeweils zwischen –0,7 V und 0,1 V, zwischen –5 V und 5 V, und zwischen –10 V und 10 V, und die Anzahl der Stufen der Veränderung der Spannungen betrug 9 Stufen, 11 Stufen bzw. 2 Stufen, die in den
7A bis
7C dargestellt wurden. Und jeder gemessene Widerstand und jede gemessene Zellkonstante wurde wie folgt in ein Diagramm eingetragen. Es ist aus den in das Diagramm eingetragenen Ergebnissen ersichtlich, dass die Spannung zumindest von der zweiten Stufe an angemessen ansteigen kann.
| Gemessene Spannung | Änderungsschritt | Widerstand der Lösung (Ω) | Zellkonstante (cm–1) | Bemerkung |
| –0,7 V~0,1 V | 9 | 2,525 | 674 | FIG. 7A |
| –5 V~5 V | 11 | 2,548 | 679 | FIG. 7B |
| –10 V~10 V | 2 | 2,531 | 675 | FIG. 7C |
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Wie oben beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Offenbarung durch das stufenweise Ändern von vorbestimmten Gleichspannungen zu jeder vorgegebenen Zeit und das Messen des Widerstands einer Lösung mittels eines Spitzenstroms, der bei jeder Spannung gemessen wird, ein Messfehler aufgrund von Polarisation minimiert werden und die Abhängigkeit von der elektrische Leitfähigkeit (der so genannte Parker-Effekt) einer Zellkonstante kann beseitigt werden, wodurch eine genauere elektrische Leitfähigkeit der Lösung gemessen wird.
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Die vorliegende Offenbarung kann breit auf einem technischen Gebiet angewendet werden, dass sich mit elektrochemischen Systemen und dem Verständnis einer Ionenstruktur in einer Lösung befasst, wie auch in einem gewerblichen Gebiet, wie etwa bei der Wasserqualitätsüberwachung in einer Umweltschutzindustrie, der Überwachung von Kühlwasser in einer Nuklearindustrie und dergleichen.
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Die vorstehenden Ausführungsformen und Vorteile des Verfahrens und des Systems zur Messung von elektrischer Leitfähigkeit sind nur beispielhaft und sollten nicht als die vorliegende Offenbarung beschränkend interpretiert werden. Die vorliegenden Lehren können ohne weiteres auf andere Arten von Vorrichtungen angewendet werden. Diese Beschreibung soll nur verdeutlichen, und nicht dem Umfang der Ansprüche beschränken. Viele Alternativen, Modifikationen und Variationen werden Fachleuten ersichtlich sein. Die Merkmale, Strukturen, Verfahren und andere Eigenschaften der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele können auf unterschiedliche Weisen kombiniert werden, um zusätzliche und/oder alternative Ausführungsbeispiele zu erhalten.
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Da die vorliegende Merkmale in mehreren Formen ausgestaltet sein können, ohne von den Eigenschaften davon abzuweichen, versteht es sich auch, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen nicht durch irgendwelche Details der vorangehenden Beschreibung beschränkt sind, es sei denn, es ist anders angegeben, sondern dass sie so weit in Ihrem Umfang ausgelegt werden sollten, wie in den angehängten Ansprüchen definiert, und somit ist beabsichtigt, dass alle Änderungen und Modifikationen, die in die Grenzen der Ansprüche oder die Äquivalente solcher Grenzen der Ansprüche fallen, durch die beigefügten Ansprüche umfasst werden.
