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Schaltungsanordnung zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit
und der Dielektrizitätskonstanten von Meßproben Die Erfindung bezieht sich auf eine
Schaltungsanordnung zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit und der Dielektrizitätskonstanten
von Meßproben in elektrodenlosen, kapazitiven oder induktiven Meßgefäßen.
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Es ist bekannt, die spez. Leitfähigkeit z und die Dielektrizitätskonstante
(DK) e von Stoffen mit Hilfe einer Wechselstrombrücke zu messen, wobei die Meßprobe
galvanischen Kontakt mit der Meßeinrichtung hat. Weiter ist bekannt, daß z und e
auch bestimmt werden können, wenn keine galvanische Verbindung von Probe und Meßeinrichtung
besteht. Diese Verfahren werden auch mit »elèktrodenloser« Messung bezeichnet und
tragen im Sektor der Chemie den Namen »Hochfrequenztitration «.
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Die elektrotdenlose Messung erfolgt über den komplexen Leitwert der
Meßzelle, es können die Blind-oder Wirkkomponente Cp bzw. Gw oder beide zugleich
erfaßt werden, wobei charakteristische Abihängigkeiten der Meßgröße von der Leitfähigkeit
auftreten, je nachdem ob ein Blind- oder Wirkkomponentenverfahren vorliegt. In Bild
1 und 2 sind die Kennkurven dieser Verfahren skizziert. Der Nachteil aller bekannten
elektrodenlosen Meßverfahren, mit Ausnahme der RC-Titration, beruht auf der Tatsache,
daß nur bestimmte Bereiche der Leitfähigkeit mit einer gegebenen Zelle und bei gegebener
Frequenz optimal gemessen werden können.
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1. Blindkomponentenverfahren Wird eine elektrodenlose Zelle zu einem
Schwingkreis ergänzt, so kann bei Blindkomponentenverfahren die Resonanzfrequenz
des Schwingkreises, die sich mit der Leitf. oder DK ändert, als Anzeige verwendet
werden, wobei gleichgültig ist, ob die Resonanzfrequenz selbst im Überlagerungsverfahren
gemessen oder eine Nachstinunung auf eine feste Bezugsfrequenz mittels eines im
Schwingkreis liegenden Drehkondensators vorgenommen wird, dessen Kapazität bei Schwebungsnull
ein Maß für die Leitfähigkeit oder die DK der Probe ist.
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2. Wi rkkomponentenverfahren Weiter ist bekannt, daß die Höhe der
Schwingkreisspannung (auch in Auswirkung auf Röhrenströme und -spannungen) als Anzeige
der Wirkkomponente und damit der Dämpfung des Schwingkreises verwendet wird.
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3. Mischkomponentenverfahren Wird von einem Sender eine feste Frequenz
konstanter Amplitude über einen Parallelschwingkreis mit elektrodenloser Zelle geleitet
und der durchgelassene Wechselstrom gleichgerichtet, so kann der in einem nachgeschalteten
Strommesser fließende Strom als Anzeigengröße für Wirk- und Blindlkomponente verwendet
werden. Ein Nachteil der genannten Methode liegt darin, daß aus dem angezeigten
Strom nicht die einzelnen Komponenten selbst erfaßt werden können.
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Bei allen bekannten Schaltanordnungen nach 1 und 2 ist der Schwingkreis
mit elektrodenloser Zelle Bestandteil eines selbsterregten Röhrenoszillators, deren
Nachteil darin besteht, daß eine unterscshiedliche Bedämpfung des Schwingkreises
in Abhängigkeit von der Leitfähigkeit der Probe andere Schwingkreisverhältnis se
und Rückkopplungsverhältnisse zur Folge hat und bei starker Bedämpfung zum Erliegen
der Oszillation führt, so daß die Anzeigeempfindlichkeit erheblich eingeschränkt
ist. Das Mischkomponentenverfahren nach 3 weist zwar den Nachteil des Anssetzens
der Oszillation nicht auf, gestattet aber auch nicht, die Blind- oder Wirkkomponente
für sich zu messen. Allen bekanriten Verfahren ist gemeinsam, daß die Anzeigeempfindlichkeit
jeweils innerhalb eines Bereiches dann am größten ist, wenn im steilsten Teil der
Kennkurven gemäß Bild 1 und 2 gemessen wird. Die Erfindung erstrebt eine einfache
und einfach zu bedienende Schaltanordnung zur Messung der Leitfähigkeit (und der
Dielektrizitätskonstante), die gestattet, nach Blindkomponente und Wirkkomponente
für sich nebeneinander zu messen, ohne daß durch die Verwendung von hochempfindlichen
Zellen die Anzeige durch Aussetzen der Oszillation gestört wird. Weiter erstrebt
die Erfindung, daß ohne Zellen- oder Frequenzwechsel die nebeneinander-
liegenden
Bereiche der Wirk- und Blindkomponente mit einer Schaltanordnung erfaßt werden können.
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Gleichzeitig strebt die Erfindung eine Linearisierung der Anzeigeempfindlichkeit
innerhalb des optimalen Leitfähigkeitsberei ches nach der Blindkomponente an.
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Dies wird bei der eingangs genannten Schaltungsanordnung dadurch
erreicht, daß erfindungsgemäß das in bekannter Weise zu einem Schwingkreis ergänzte
Meßgefäß in einem Zweig einer Röhrenkompensationsbrücke liegt und daß die Erregung
des Meßschwingkreises rückwirkungsfrei von einem stabilen Fremdgenerator über die
Brücke erfolgt.
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Als Beispiel dient Bild 3. Hier liegt beispielsweise ein Parallelschwingkreis
mit variabler Parallelkapazität Cp und kapazitiver oder induktiver elektrodenloser
Zelle 3 in der Kathodenleitung der Triode I, während die Triole II ohne freqenzabhängigen
Widerstand geschaltet ist. Das Anzeigeinstrument 4 befindet sich beispielsweise
zwischen den beiden Arbeitsanodenwiderständen 5 und 6. Die Gitter 7 beider Trioden
werden mit einer konstanten Frequenz J aus einem frequenz- und amplitudenstahilen
Generator 8 gespeist. Diese Einspeisung geschieht bei genügend schwacher Ankopplung
über die Koppelkondensatoren 9 und 10 rückwirkungsfrei auf den Generator8, auch
wenn sich der komplexe Widerstand in dem Meßgefäß stark ändert. Dadurch wird auch
ein Abreißen der Schwingung vermieden. Die beiden Brückenröhren I und II wirken
gegenüber dem Generator 8 als Puffer.
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Der Gleichstromwiderstand des Schwingkreises 1 ist annähernd Null.
Die Anoden der Röhren I und II haben bei symmetrischer Stellung des Potentiometers
11 das gleiche Potential (U,,=U,,). Somit ist das Instrument 4 stromlos. (Die Kathodenwiderstände
12 und 13 sorgen für eine konstante Gittervorspannung.) + Ub stellt die Anodenspannungszuführung
für die beiden Röhren 1 und II dar. Wird den Gittern die Frequenz zugeführt, so
erregt der Röhrenwechselstrom den Schwingkreis 1; dessen Widerstand dann maximal
ist, wenn die Schwingkreisresonanzfrequenz JR der Frequenz des Generators gleich
ist. Dann ist auch die Differenz der Anodenspannung Uai Ua ein Maximum, dessen Größe
vom Resonanzwiderstand des Schwingkreises 1, also von seiner Bedämpfung abhängt.
Es kann also mit dem Kondensator 2 auf ein Maximum eingestellt werden, d. h., es
ist f=f R. Die Kapazität, gegen log y. aufgetragen. führt zur bekannten Kenukurve
von Bild 1, und die Kapazität Cp von 2 gegen die DielektrizitätsL-onstante E aufgetragen,
ergibt eine Kurve. wie sie in Bild 4 dargestellt ist.
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Die Größe des Instrumentenansschlages bei f =fR ist ein Maß für die
Wirkkomponente und führt zur Kennkurve von Bild 2, wenn log x gegen den Instrumentenstrom
von 4 aufgetragen wird.
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Wird nicht jeweils auf das Instrumentenmaximum (oder Minimum, je
nach Schaltung) eingeregelt, so ist der Instrumentenstrom vom Mischkomponentenverhalten
bestimmt. Geringe Leitfähigkeitsänderun-
gen, etwa im Verlauf einer Titration, können
nach dieser Methode am empfindlichsten erfaßt werden.
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Je schwächer die Bedämpfung des Schwingkreises 1 ist, um so größer
ist der Schwingkreiswiderstand und damit der durch das Anzeigeinstrument 4 fließende
Strom, d. h., die Einstellempfindlichkeit wird an den Bereichsenden angehoben, da
die größte Schwingkreisbedämpfung in der Mitte des Bereiches liegt. Die Bedämpfung
des Schwingkreises 1 durch die Probe der Zelle 3 hat bei der Schaltanordnung gemäß
der Erfindung durch die Pufferwirkung der Röhrenbrücke keinen Einfluß mehr auf die
Konstanz des Generators 8. Zur Erhöhung der Stabilität der Kompensationsbrücke werden
am zweckmäßigsten Heiz- und Anodenspannungen der Röhren 1 und II stabilisiert. Prinzipiell
ist es gleich, ob der Meßschwingkreis in der Kathodenleitung oder im Gitterkreis
liegt. Ferner kann der Meßschwingkreis als Parallelresonanz- oder auch als Serienresonanzkreîs
ausgebildet werden.
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In Bild 5 ist die Empfindlichkeit der Meßanordnung bei Verwendung
des Wirk- und Blindkomponentenverfahrens dargestellt. Die Kurven stellt die Empfindlichkeit
E bei Anwendung des Blindkomponentenverfahrens dar (Differentialquotient der Kurve
von Bild 1). Dort, wo die Kurve a stark absinkt, hat nun die Wirkkomponente ihre
größte Empfindlichkeit. Die Gesamtempfindlichkeit der Meßanordnung ist durch die
Kurve b in Bild 5 aufgezeigt.
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PATENTANSPOCHE: 1. Schaltungsanordnung zur Bestimmung der elektrischen
Leitfähigkeit und der Dielektrizitätskonstanten von Meßproben in elektrodenlosen,
kapazitiven oder induktiven Meßgefäßen, dadurch gekennzeichnet, daß das in bekannter
Weise zu einem Schwingkreis ergänzte Meßgefäß in einem Zweig einer Röhrenkompensationsbrücke
liegt und daß die Erregung des Meßschwingkreises rüekwirkungsfrei von einem stabilen
Fremdgenerator über die Brücke erfolgt.