DE1263354B

DE1263354B - Leitfaehigkeitsmessanordnung zur linearen Anzeige der Konzentration von in einer Fluessigkeit suspendierten, isolierenden Teilchen

Info

Publication number: DE1263354B
Application number: DEN12836A
Authority: DE
Inventors: Johannes Jacobus Kamp; Jacobus Laurens Smals
Original assignee: ALGEMEEN TECH ONTWERPBUREAU AL
Current assignee: ALGEMEEN TECH ONTWERPBUREAU AL
Priority date: 1955-10-14
Filing date: 1956-10-12
Publication date: 1968-03-14
Also published as: NL99277C; FR1158378A; NL297057A; US3003103A; GB840935A; GB1054626A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES #Ä PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

GOIn

Deutsche Kl.: 421-3/04

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1263 354
N12836IXb/421
12. Oktober 1956
14. März 1968

Die Erfindung bezieht sich auf eine Leitfähigkeitsmeßanordnung zur linearen Anzeige der Konzentration von in einer leitenden Flüssigkeit suspendierten, isolierenden Teilchen mit einem weiten Meßbereich bis zu 60 Volumprozent und mehr Feststoffgehalt, bestehend aus einer Bezugszelle, die mit einer Standardflüssigkeit gefüllt ist, und einer Meßzelle zur Aufnahme der zu messenden Flüssigkeit in einer Brückenschaltung mit Ausschlaginstrument.

Es sind Leitfähigkeitsmeßanordnungen zur Messung der elektrolytischen Leitfähigkeit bekannt. Dabei ist es schwierig, zu einer temperaturunabhängigen Anzeige zu gelangen. Bekannte Anordnungen verwenden daher neben einer Meßzelle, die die zu messende Flüssigkeit enthält auch eine in einem weiteren Brückenzweig angeordnete Vergleichszelle. Diese Brückenschaltungen können mit Gleichstrom oder Wechselstrom gespeist werden, wobei jeweils entsprechende Vorkehrungen zur Vermeidung von Polarisationserscheinungen getroffen werden müssen. Derartige Brückenschaltungen lassen sich für betriebsmäßige Messungen, insbesondere in Verbindung mit von der Brückendiagonalen gespeisten Registriergeräten verwenden. Mit diesen bekannten Anordnungen kann man zwar eine in ausreichendem Maße temperaturkonstante Anzeige erhalten, in vielen Fällen ergibt sich jedoch eine nichtlineare Anzeige der Konzentration.

Die grundlegenden Untersuchungen des Leitfähigkeitsverhaltens von Suspensionen fester Teilchen in Flüssigkeiten stammen von Lord Rayleigh. Die Abhängigkeit der Leitfähigkeit von der Konzentration der festen gelösten oder suspendierten Stoffe bezeichnet man im allgemeinen als Rayleigh-Funktion. Es hat sich gezeigt, daß sich bei Lösung eines leitenden Stoffes in einer nichtleitenden Flüssigkeit eine lineare Rayleigh-Funktion ergibt, d. h., die Leitfähigkeit ist zur Konzentration des gelösten Stoffes proportional. Bei derartigen Messungen besitzen also die bekannten Geräte eine lineare Anzeigeskala.

Andererseits hat es sich ergeben, daß die Beziehung zwischen der Leitfähigkeit und dem Feststoffgehalt nichtlinear ist, wenn in einer leitenden Flüssigkeit nichtleitende Feststoffteilchen suspendiert werden.

An diesem Punkt setzt die Erfindung ein. Die Erfindung bezweckt die Schaffung einer Leitfähigkeitsmeßanordnung der genannten Art, welche innerhalb eines weiten Meßbereiches von 0 bis 60 Volumprozent und mehr Feststoffgehalt eine lineare Anzeige aufweist.

Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die Bezugszelle und die Meßzelle in Reihe an eine Reihenschaltung zweier Spannungsquellen an-Leitfähigkeitsmeßanordnung zur linearen Anzeige der Konzentration von in einer Flüssigkeit
suspendierten, isolierenden Teilchen

Anmelder:

N.V. Algemeen Technisch Ontwerpbureau

ALTO, Amsterdam (Niederlande)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Marsch, Patentanwalt,

4000 Düsseldorf, Lindemannstr. 31

Als Erfinder benannt:

Jacobus Laurens Smals,

Johannes Jacobus Kamp, Amsterdam

(Niederlande)

Beanspruchte Priorität:

Niederlande vom 14. Oktober 1955 (201216) - -

geschlossen sind und daß der Widerstand der Bezugszelle gleich dem halben Widerstandswert der mit reiner Flüssigkeit (Elektrolyt ohne Feststoffteilchen)

gefüllten Meßzelle ist, wobei die Anzeigespannung zwischen dem Verbindungspurikt der beiden Zellen und dem Verbindungspunkt der Reihenschaltung zweier Spannungsquellen entnommen wird.

Bei der Konzentrationsmessung von nichtleitenden Feststoffteilchen in einer leitenden Flüssigkeit ist die nichtlineare Anzeigekennlinie der Brückenschaltung eine Folge der Tatsache, daß der Widerstand der Suspension selbst nichtlinear von der Konzentration der Feststoffteilchen abhängt. Es konnte festgestellt werden, daß für den Widerstand der Meßzelle die folgende Beziehung gilt:

1-p

-R₁

0>

worin R₀ der Widerstand der Meßzelle bei Füllung mit reiner Flüssigkeit und ρ die Konzentration d§s Feststoffes sind. Nennt man die den beiden Spannungsquellen entsprechenden Teilspannungen der Brücke e_x bzw. e₂, wobei also die an der Brücke anliegende Gesamtspannung e_t + e₂ ist, und nennt man den zu messenden Widerstand nach dem obigen R_x

809 518/298

3 4

und den Widerstand der Bezugszelle R, so gilt für die den Verbindungspunkt der Spannungsteilerwider-Ausgangsspannung E der Brückendiagonale stände 1 und 2 angeschlossen.

Nach der Erfindung ist der Widerstand R der Be-

E — (_e _i_ e ) ^ _g zugszelle halb so groß wie der Widerstand R₀ der mil

^{Kl 2J} Rx + R *" 5 reiner Flüssigkeit gefüllten Meßzelle. Hierdurch er

hält man innerhalb des gesamten Meßbereiches de)

Aus den beiden Formeln ergibt sich Anordnung, welcher von 0 bis zu 60 Volumprozeni

oder mehr Feststoffkonzentration reichen kann, eine

E = (e_± + e₂) e_x. lineare Änderung der Brückenspannung in Abhängig-

"L ι _P_ ίο keit von der Feststoffkonzentration. Dies wurde

"^ 2 bereits oben dargelegt.

~1 _ j3 ' ^Äo + F i g. 2 zeigt die Schaltung einer weiteren Ausfüh

rungsform der Erfindung, wonach unmittelbar zwei

Die Ausgangsspannung der Brücke ist also keine Spannungsquellen E in zwei benachbarte Brückenlineare Funktion der Konzentration. Wählt man je- 15 zweige eingeschaltet sind. Diese Spannungsquellen doch nach der Lehre der Erfindung R₀ = 2 R, so werden beispielsweise durch sekundärseitige Anerhält man für die Ausgangsspannung zapfungen eines Transformators gebildet. Auch mit

dieser Brücke erhält man bei Wahl des obengenannten

ρ _ ₍„ 1 „ % 1 ~ P . Widerstandsverhältnisses eine lineare Anzeigekenn-

Ji - (ei + e₂) -~— e_x ^.

Bei Messungen mit Wechselspannung kann man

Bei einer Wahl der Widerstandsverhältnisse im Nullpunktsfehler dann vermeiden, wenn man den Sinne der Erfindung ergibt sich also der überraschende Ubergangsscheinwiderstand zwischen Elektroden und Vorteil, daß eine völlige Linearisierung der Brücken- Flüssigkeit konstant hält. Dieses erreicht man durch ausgangsspannung innerhalb eines beliebigen Meß- 25 Kontrolle der Grenzschichtspannung, die man so bereichs möglich ist. konstant hält, daß sie einen Wert von 100 bis 150 mV

Das Verhältnis der Spannungen der beiden ge- nicht überschreitet. Bei dieser Grenzschichtspannung nannten Spannungsquellen hat offenbar auf die Line- bildet sich eine Ionengrenzschicht mit kapazitivem arität der Anzeige keinen Einfluß, sondern liefert Scheinwiderstand aus.

lediglich einen konstanten Beitrag. Man kann folg- 30 Steigt die Grenzschichtspannung auf höhere Werte lieh dieses Verhältnis insbesondere so wählen, daß an, dann kann bei einer für jede Ionensorte spezifür eine verschwindende Konzentration auch die An- fischen Spannung eine Ionenentladung auftreten, so zeigespannung verschwindet. daß man einen ohmschen Übergangswiderstand erEinzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der hält. Hierdurch ergeben sich Verzerrungen der Sinusfolgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausfüh- 35 wechselspannung. In diesem Fall ist es äußerst schwer, rungsformen an Hand der Zeichnung. Es stellt dar die Brücke auf Null einzuregeln.

F i g. 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungs- Aus den Rayleighschen Überlegungen ergibt sich,

gemäßen Leitfähigkeitsmeßanordnung, bei der die daß der Elektrodenübergangsscheinwiderstand klein beiden Spannungsquellen durch die Widerstände eines gegenüber dem zu messenden Widerstand sein soll. Spannungsteilers gebildet sind, 40 Um diese Bedingung in jedem Fall einzuhalten, be-

Fig. 2 eine weitere Schaltung nach der Erfindung nutzt man bei Rohrdurchmessern der Zellen über mit zwei jeweils einen Brückenzweig bildenden Span- 350 mm einander diametral gegenüberliegende, in der nungsquellen, elektrisch isolierenden Rohrwand angeordnete Elek-

F i g. 3 eine schematische Darstellung einer Aus- troden 5 nach F i g. 3, während man bei Rohrdurchführungsform einer Meßzelle, insbesondere für Flüs- 45 messern unter 350 mm in der Rohrwandung getrennt sigkeiten, mit einander gegenüberstehenden Elek- voneinander angeordnete Ringelektroden nach Fig. 4 troden, vorsieht. Die Elektroden nach Fig. 3 erstrecken sich

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer Meß- jeweils über etwa 90°.

zelle mit hintereinander angeordneten Ringelektroden Bei dem Aufbau für kleinere Rohrdurchmesser

und 50 nach F i g. 4 bestehen die Rohrstücke zwischen den

F i g. 5 ein Schaltbild einer kompensierten Meß- verschiedenen Ringelektroden aus einem in F i g. 4 brücke. gestrichelt eingezeichneten, isolierenden Material.

Eine erfindungsgemäße Leitfähigkeitsmeßanord- Das Rohr 6 enthält die Flüssigkeit mit den Feststoffnung nach Fi g. 1 besteht aus einer Brückenschaltung, bestandteilen, deren Konzentration bestimmt werden die von einer Spannung E gespeist wird. Parallel zu 55 soll. In der Rohrwand sind hintereinander drei Ringdieser Spannung E liegen zwei als eigentliche Span- elektroden 7, 8 und 9 angeordnet. Die gestrichelten nungsquellen dienende, hintereinandergeschaltete Rohrstücke 10 aus isolierendem Material trennen die Spannungsteilerwiderstände 1 und 2 sowie eine Meß- Ringelektroden. Die Bezugszelle besteht aus einem zelle Zl und eine Bezugszelle Z 2. Die Bezugszelle ähnlichen Rohrstück 11 mit drei Ringelektroden 12, enthält die reine Flüssigkeit ohne Feststoffbestand- 60 13 und 14, die voneinander durch isolierende Rohrteile, die Meßzelle enthält ein Gemisch der leitenden stücke 15 und 16 getrennt sind. Die jeweils äußeren Flüssigkeit mit isolierenden Feststoffteilchen, deren Ringelektroden sind miteinander verbunden, wobei Konzentration gemessen werden soll. Im allgemeinen der gemeinsame Verbindungspunkt einen Diagonalverwendet man eine Wechselspannung E, um Polari- punkt der Meßdiagonale bildet. Die Wechselspannung sationserscheinungen zu vermeiden. Die Meßdiagonale 65 wird von einem Transformator 17 geliefert, dessen der Brücke, beispielsweise ein Verstärker 3 mit Meß- Sekundärwicklung eine den zweiten Diagonalpunkt instrument 4, ist einerseits an den Verbindungspunkt bildende Mittelanzapfung aufweist. In der Diagonale der beiden Zellen Zl und Z2 und andererseits an befindet sich der Verstärker 3 mit dem Meßinstru-

ment 4. Die freien Enden der Sekundärwicklung des Transformators 17 sind mit den mittleren Ringelektroden 8 bzw. 13 der beiden Zellen verbunden.

Der die außenliegenden Ringelektroden der Zellen verbindende Diagonalpunkt der Brücke kann ebenso wie die Rohre 6 und 11 geerdet werden. Um den Einfluß von Temperaturunterschieden zwischen Meß- und Bezugsflüssigkeit sowie von Abweichungen in den Zellenabmessungen kompensieren zu können, kann der elektrische Widerstand einer der Zellen einstellbar sein. Vorzugsweise sieht man dies in der Bezugszelle vor. Diese Widerstandsänderung der Bezugszelle wird bei einer Anordnung nach F i g. 3 dadurch erreicht, daß man den Elektrodenabstand ändert. Bei einer Anordnung nach F i g. 4 sieht man ein regelbares Absperrventil 18 zur Einstellung der Durchflußmenge und damit des Zellenwiderstandes vor.

F i g. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einer Kompensation von Schwankungen der Speisespannung. Wenn in der Brückendiagonale ein Strom fließt, ändert sich dieser bekanntlich proportional zur Größe der Speisespannung. Um derartige, von Änderungen der Speisespannung herrührende Schwankungen der Anzeigespannung zu kompensieren, bildet man den Verstärker 3 so aus, daß seine Verstärkung umgekehrt proportional zur Größe der Speisespannung ist. Man greift die Steuerspannung unmittelbar an den Zellen an, damit man auch den Spannungsabfall in den Zuführungsleitungen zwischen Transformator und Brücke ausschaltet. Die Schaltstufe 19 zur Verstärkungsregelung des Verstärkers 3 enthält beispielsweise eine Gegenkopplungsstufe und wird von den Leitungen 20 und 21 gespeist, die an die transformatorseitigen Klemmen der Zellen

Zl und Z 2 angeschlossen sind, so daß die Regelschaltstufe 19 unmittelbar von der an den Zellen anliegenden Spannung erregt wird. Die Widerstände der Leitungen 20 und 21 müssen einander gleich sein.

Claims

Patentanspruch:

Leitfähigkeitsmeßanordnung zur linearen Anzeige der Konzentration von in einer leitenden Flüssigkeit suspendierten, isolierenden Teilchen mit einem weiten Meßbereich bis zu 60 Volumprozent und mehr Feststoffgehalt, bestehend aus einer Bezugszelle, die mit einer Standardflüssigkeit gefüllt ist, und einer Meßzelle zur Aufnahme der zu messenden Flüssigkeit in einer Brückenschaltung mit Ausschlaginstrument, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugszelle und die Meßzelle in Reihe an eine Reihenschaltung zweier Spannungsquellen angeschlossen sind und daß der Widerstand der Bezugszelle gleich dem halben Widerstandswert der mit reiner Flüssigkeit (Elektrolyt ohne Feststoffteilchen) gefüllten Meßzelle ist, wobei die Anzeigespannung zwischen dem Verbindungspunkt der beiden Zellen und dem Verbindungspunkt der Reihenschaltung zweier Spannungsquellen entnommen wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 378 326;
ATM — U 3514-1, Juni 1933 (insbesondere
Abb. 1);

Comptes Rendus, 1953, S. 2055 bis 2058 (insbesondere Fig. 2);

F. Kohlrausch, »Praktische Physik«, Bd. 2,
1951, S. 57, Abb. 43.

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