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Anordnung zur temperaturkompensierten Konzentrationsbestimmung von
Elektrolyten durch elektrodenlose Leitfähigkeitsmessung Es sind Verfahren zur elektrodenlosen
Leitfähigkeitsmessung von Elektrolyten bekannt, bei welchen mittels eines Ringkernübertragers
in einer Flüssigkeitsschleife eine Wechselspannung induziert wird, wobei der durch
diese Flüssigkeitsschleife fließende Strom in der Wicklung eines durch die gleiche
Flüssigkeitsschleife gekoppelten zweiten Ringkernübertragers eine Meßspannung erzeugt.
Diese Meßspannung kann bei Erfüllung gewisser Voraussetzungen bezüglich der Ausschaltung
systematischer Fehler ein Maß für die Leitfähikeit des Elektrolyten bilden.
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Die Leitfähigkeit vieler Elektrolyte ist insbesondere von der Temperatur
in starkem Maße abhängig. Soll daher dieses Verfahren zu Konzentrationsbestimmung
von Elektrolyten verwendet werden, so muß entweder der Elektrolyt am Meßort, d.
h. in der Nähe der Flüssigkeitsschleife, präzise auf gleicher Temperatur gehalten
werden, oder es ist eine Temperaturkompensation des Meßwertes erforderlich.
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In der elektrischen Meßtechnik ist es ganz allgemein bekannt, Temperatureinflüsse
auf den Meßwert durch Kompensationsmaßnahmen mit Hilfe temperaturabhängiger Schaltungselemente
zur Ausschaltung des die Meßgenauigkeit beeinträchtigenden Temperaturganges vorzusehen.
Es ist z. B. bei der Leitfähigkeitsmessung von Elektrolyten bekannt, einen temperaturabhängigen
Widerstand unmittelbar der Temperatur des Elektrolyten auszusetzen, wobei dieser
Widerstand so in die Maßanordnung eingefügt ist, daß ein Ausgleich des zu erwartenden
Meßfehlers erfolgt.
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Es wurde nun eine mit geringem Schaltmittelaufwand gut wirksame Anordnung
zur Temperaturkompensation der Leitfähigkeit des Elektrolyten gefunden. Sie ist
dadurch gekennzeichnet, daß der temperaturabhängige Widerstand im Elektrolyten der
Flüssigkeitsschleife des Meßgebers und eine ebenfalls im Meßgeber eingebaute und
im thermischen Kontakt mit der Meßflüssigkeit stehende Gleichrichterschaltung mit
dem Anzeige- bzw. Registriergerät konduktiv oder induktiv parallel geschaltet sind,
die gemeinsam den zur Abgabe der Meßspannung an bestimmten induktiven Übertrager
belasten.
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Eine Verstärkung der aus dieser Anordnung hervorgehenden Meßspannung
ist im allgemeinen nicht erforderlich, sie ist aber ohne Schwierigkeiten möglich.
Der Anschluß der temperaturkompensierenden Meßschaltung kann entweder an einer einzigen
Ausgangswicklung des mit der Flüssigkeitsschleife gekoppelten und die unkorrigierte
Meßgröße liefernden Übertragers oder auch an mehreren getrennten Ausgangswicklungen
dieses Übertragers erfolgen. Als temperaturabhängiges Meßglied innerhalb dieser
Meß-
schaltung wird vorzugsweise ein in der Flüssigkeit angeordneter Heißleiter verwendet,
der weitgehend trägheitslos die Temperatur des zu bestimmenden Elektrolyten annimmt.
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Die Temperaturabhängigkeit der zur Gleichrichtung des Meßstroms verwendeten
Gleichrichter und gegebenenfalls eines Meßspannungsverstärkers vorzugsweise eines
Transistorverstärkers, wird erfindungsgemäß dadurch beseitigt, daß diese zusammen
mit anderen zur Belastung der Meßspannungsquelle verwendeten Elemente ebenfalls
im Meßgeber eingebaut sind. Die Abhängigkeit der Gleichrichter und des Verstärkers
von Temperaturänderungen des zu bestimmenden Elektrolyten wird dann zusammen mit
der Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit eliminiert.
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In vielen praktischen Fällen ist es nicht zweckmäßig, die Leitfähigkeit
vom Wert »Null« ausgehend zu messen. Bei der Analyse von konzentrierter Salzsäure
ändert sich z. B. bei einem Konzentrationsbereich von 25 bis 400/0 die Leitfähigkeit
nur um etwa 30°/Q, so daß es unerläßlich ist, den Nullpunkt zur Erreichung eines
brauchbaren Meßbereichs zu unterdrücken. Die Anordnung nach der Erfindung sieht
hierfür vor, daß die dem ersten Übertrager zugeführte Wechselspannung nach Gleichrichtung
gegen den Meßstrom geschaltet wird. Diese abgezweigte Spannung kann vor ihrer Gleichrichtung
auch noch über den ersten, mit dem Oszillator gekoppelten Übertrager transformiert,
d. h. auf der Sekundärseite dieses Übertragers abgenommen werden. Der Einbau
der
die Gleichrichter enthaltenden Kompensationsanordnung in den Meßgeber hat den weiteren
Vorteil, daß das Anzeige- bzw. Registriergerät zur Wiedergabe des temperaturkompensierten
Meßwertes ohne Zwischenschaltung weiterer Schalthilfsmittel direkt an den Geber
angeschlossen werden kann.
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In Abb. 1 ist als Ausführungsbeispiel ein für betriebliche Meß- und
Regelzwecke bestimmter Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung zur Konzentrationsbestimmung
von Elektrolyten wiedergegeben, dessen Einzelheiten weiter unten näher beschrieben
sind. Die Abb. 2 veranschaulicht schematisch den grundsätzlichen Aufbau der erfindungsgemäßen
Anordnung, und Abb. 3 zeigt das entsprechende Ersatzschaltbild. Die von einem spannungsstabilisierten
Oszillator abgegebene Wechselspannung einer Frequenz von etwa 1 bis 25kHz (Eingangsspannung)
wird mittels eines Ringkernübertragers 2 an die den fortlaufend zu bestimmenden
Elektrolyten aufnehmende Flüssigkeitsschleife 3 induktiv übertragen.
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Der Ringkernübertrager 2 umschlingt den Durchflußquerschnitt des Elektrolyten.
Der in der Flüssigkeitsschleife auf Grund der Leitfähigkeit des Elektrolyten fließende
Strom wird mittels eines zweiten den Durchftußquerschnitt umschlingenden Ringkernübertrager
4 abgenommen und nach einer Kompensation der Temperaturabhängigkeit in einer besonderen
Meßschaltung 5 dem Anzeige- oder Registriergerät 6 zugeführt. Im entsprechenden
Ersatzschaltbild Abb. 3 ist die Flüssigkeitsschleife 3 demnach aufzuteilen in eine
Ausgangswicklung des Rinkernübertragers 2, in eine Eingangswicklung des Ringkernübertragers
4 und in einen den eigentlichen Flüssigkeitswiderstand darstellenden Widerstand
3'.
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Die den Temperatureinfluß kompensierende und die Ausgangsspannung
belastende Meßschaltung 5 enthält die Parallelschaltung eines temperaturabhängigen
Widerstandes 5a mit einer Gleichrichteranordnung 5b, zu der gegebenenfalls noch
Widerstände Sc gehören. Zum besseren Verständnis dieser elektrischen Kompensation
des Temperaturganges der Leitfähigkeit des Elektrolyten wird auf das in Abb. 4 wiedergegebene
Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung hingewiesen. In diesem Ersatzschaltbild
ist die Sekundärseite des Ringkernübertragers 4 auf dessen Primärseite transformiert
dargestellt und der Ringkernübertrager 4 durch den komplexen Gesamtwiderstand eines
induktiven Blindwiderstandes 4 mit einem Ohmschen Widerstand 7 wiedergegeben.
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Man sieht, daß der in der Flüssigkeitsschleife 3 fließende Strom zunächst
abhängt von der Leitfähigkeit der zu bestimmenden Flüssigkeit. die man mit genügender
Genauigkeit aufspalten kann in einen konzentrationsabhängigen und einen temperaturabhängigen
Faktor. Der in der Flüssigkeitsschleife 3 fließende Strom hängt ferner an von der
Impedanz der Parallelschaltung des komplexen Widestandes 4, 7 mit dem temperaturabhängigen
Widerstand 5a und der Gleichschaltung 5b mit dem parallel geschalteten Meß- oder
Registriergerät 6. Gleicht man diese Impedanz im Temperaturgang durch entsprechende
Wahl des temperaturabhängigen Widerstandes 5a sowie mit hinzugeschalteten Vor- und
Parallelwiderständen so ab, daß sie innerhalb des zu erfassenden Temperaturbereichs
den gleichen Temperaturgang hat wie der zu bestimmende Elektrolyt, so hängt die
über der Impedanz auftretende Spannung nur noch von der Konzentration des Elektrolyten
ab.
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In Abb. 2 und 3 ist die temperaturkompensierende Meßschaltung 5 an
eine einzige Ausgangswicklung des Ringkernübertragers 4 angeschlossen. An Stelle
dieser konduktiven bzw. galvanischen Parallelschaltung des temperaturabhängigen
Widerstandes 5a mit der Gleichrichteranordnung 5b kann die gleiche Temperaturkompensation
auch an zwei getrennten Wicklungen des Ringkernübertragers 4 vorgenommen werden.
Eine solche induktive Parallelschaltung der die Meßschaltung 5 bildenden Elemente
Sa und Sb zeigt die Abb. 5. In dieser Abbildung sind auch Abgleichwiderstände8 und
9 für den temperaturabhängigen Widerstand 5a wiedergegeben.
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Die Abb. 6 zeigt eine andere die Merkmale der Erfindung enthaltende
Schaltung mit einer Nullpunktsunterdrückung des Meßwertes. Für diese Schaltung besteht
die Forderung, durch Schwankungen der Netzspannung oder der vom Oszillator 1 gelieferten
Speisespannung verursachte Nullpunktsverschiebungen zu unterbinden. Dazu wird erfindungsgemäß
die Kompensationsspannung für die aus dem temperaturabhängigen Widerstand Sa und
den Gleichrichtern 5b bestehende Meßschaltung 5 von der an den Eingangsübertrager
2 angelegten Speisespannung abgenommen.
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Falls die aus den oben beschriebenen Anordnungen erhaltene Ausgangsspannung
bzw. Ausgangsleistung bei weniger gut leitenden Elektrolyten für eine direkte Anzeige
oder Registrierung zu klein ist, muß eine Verstärkung vorgesehen werden. Hierzu
wird vorzugsweise ein Transistorverstärker verwendet, der unmittelbar in den Meßgeber
eingebaut ist. Seine Spannungsversorgung wird der dem Eingangsübertrager 2 zugeführten
Spannung, gegebenenfalls nach einer Transformation, entnommen. Diese Maßnahme erübrigt
eine weitere Spannungsversorgung des Verstärkers und die Siebung der gleichgerichteten
Spannung ist wegen der höheren Frequenz der Eingangsspannung einfacher. Auf Grund
der Abmessungen eines Transistorverstärkers erübrigt sich bei der Unterbringung
im Meßgeber auch ein besonderes Gehäuse. Die Temperaturkompensation der Leitfähigkeit
des Elektrolyten erfolgt in diesem Fall entweder vor der Verstärkung in der oben
beschriebenen Weise oder nach der Verstärkung des unkorrigierten Meßwertes. Im letzteren
Fall wird der verstärkte Strom über den temperaturabhängigen Widerstand 5a geleitet
und die daran abfallende, gleichgerichtete Spannung zur Anzeige bzw. Registrierung
verwendet.
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In einer praktischen Ausführungsform, wie sie die Abb. 1 wiedergibt,
ist die gesamte erfindungsgemäße Meßanordnung im Meßgeber 10, einem topfartigen
Körper, untergebracht. Der Meßgeber 10 ist mit einem breiten Dichtungsflansch lOa
in ein oben offenes Durchflußgefäß 11 eingeschoben, das einen Zulauf 12 und einen
Ablaufstutzen 13 besitzt. Mittels des Deckels 14 ist der Geber 10 mit dem Durchflußgefäß
11 flüssigkeits- und vorzugsweise auch druckdicht verspannt. Zur Realisierung der
die übertrager 2 und 4 induktiv koppelnden Flüssigkeitschleife besitzt die Hülle
des Gebers 10 an seinem unteren Ende eine diametrale Bohrung 15 und eine axiale
Bohrung 16.
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Die Ringkernübertrager 2 und 4 sind übereinanderliegend in einen kreisförmigen
Hohlraum 17 vom unteren Ende her in den Geber 10 eingeschoben. Der zu bestimmende
Elektrolyt tritt aus dem Zulauf 12 nach Zurücklegen einer kurzen Wegstrecke durch
den Hohlraum des Gefäßes 11 ständig mit einer gewissen
Teilmenge
in die axiale Bohrungl6 des Gebers 10 ein und aus dessen diametraler Bohrung 15
nach links und rechts wieder aus. Die Übertrager 2 und 4 umschließen also den Durchflußquerschnitt
der Bohrung 16 in einer der in Abb. 2 prinzipiell wiedergegebenen Anordnung entsprechenden
Weise. Der temperaturabhängige Widerstand 5a ist vorzugsweise in Form eines Temperaturfühlers
in dem ebenfalls als Durchflußstrecke anzusehenden Bohrung 15 untergebracht und
folgt an dieser Stelle ohne wesentliche Verzögerungen dem Temperaturgang des Elektrolyten.
Die Gleichrichter 5b und die übrigen Schaltelemente sowie ein gegebenenfalls eingesetzter
Transistorverstärker befinden sich im oberen geschlossenen Hohlraum 18 des Meßgebers
10 und sind an dieser Stelle zur Ausschaltung ihres eventuellen Temperaturganges
ebenfalls dem Einfluß der Temperatur des zu bestimmenden Elektrolyten ausgesetzt.
Die Anschlüsse 19 zum Oszillator 1 und zum Anzeige- bzw. Registriergerät 6 hin sind
aus dem Flansch 10a nach oben herausgeführt.
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Für stark korrodierend wirkende Elektrolyte, wie z. B. konzentrierte
Säuren, bestehen der topfartige Körper des Meßgebers 10 und das Durchflußgefäß 11
entweder aus einem hinreichend säurefesten Kunststoff oder aus einem keramischen
Werkstoff.