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Schaltungsanordnung zur pH-Wert-Messung Gegenstand der Erfindung ist
eine Schaltungsanordnung zur pH-Wert-Messung mit Berichtigung des Temperatureinflusses
durch einen temperaturabhängigen Widerstand, die einen in Strom-Serien-Gegenkopplung
arbeitenden Meßverstärker aufweist, der einen normierten Ausgangsstrom von 0 ...
20 mA liefert.
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Bei pH-Wert-Messern liefern die Meßelektroden eine vom pH-Wert abhängige
Spannung, die von der Temperatur des Meßmediums beeinflußt wird. Es sind Mittel
bekannt geworden, mit denen der Temperatureinfluß mehr oder weniger kompensiert
werden kann. Bei einer bekannten Schaltung liegt ein dem Meßmedium ausgesetztes
Platinwiderstandsthermometer in einer Brückenschaltung mit anderen Widerständen.
Diese Brücke wird von
dem Ausgangsstrom eines Meßverstärkers für
die von den pH-Elektroden abgegebenen Spannung durchflossen. Der Verstärkerausgangsstrom
ist normiert und beträgt in der Regel 0 ... 20 mA.
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Der Verstärker liefert also ein für die üblichen Anzeigegeräte, Registriergeräte
und Regler ausreichend kräftiges Signal. Die Ausgangsspannung der Brücke ist der
Spannung der pH-Elektroden entgegengeschaltet. Zur Nullpunktsverschiebung des anzuzeigenden
pH-Meßbereiches wird in diese Brücke ein Konstantstrom eingespeist. Der Nachteil
dieser Schaltung besteht darin, daß der Temperaturgang nur Xn einem engen Bereich
genügend genau kompensiert werden kann.
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Es ist ferner eine pH-Messer-Schaltung bekannt geworden, bei welcher
ein dem Meßmedium ausgesetztes Platinwiderstandsthermometer als Gegenkopplungswiderstand
im Ausgangskreis des Verstärkers liegt. In dieser Schaltung muß der Ausgangsstrom
aus mehreren Gründen auf den Bereich 0 ... 5 mA beschränkt werden. Dieser früher
übliche Strombereich ist jedoch in vielen Fällen unzureichend, weil die auf 0 ...
20 mA genormten Anzeigegeräte, Registriergerät und Regler nicht angeschlossen werden
können.
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In der DAS 1 153 422 wird ein für die pH-Wert-Messung geeigneter Gleichspannungsverstärker
mit Zerhacker, Potentialtrennung und Gegenkopplung zwischen Eingangskreis und Ausgangskreis
beschrieben, bei welchem der Gegenkopplungszweig mit einem
Zerhacker
für das Ausgangssignal, einem Transformator für die Potentialtrennung und einem
Demodulator für die Bildung des Gegenkopplungssignals ausgerüstet ist. Diese Meßeinrichtung
erforder. t jedoch einen erheblichen Aufwand, weil sowohl in dem eigentlichen Verstärkerkreis
als auch in dem Gegenkopplungskreis je ein Trenntransformator, ein Zerhacker und
ein Demodulator erforderlich sind.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, mit einem
Minimum an Aufwand eine Meßschaltung zu schaffen, die einerseits den gewünschten
Ausgangs strom von 0 ... 20 mA liefert und die es andererseits ermöglicht, den im
Gegenkopplungskreis liegenden temperaturabhängigen Widerstand mit dem für eine genaue
Kompensation des Temperatureinflusses günstigen Strom zu beaufschlagen. Bei einem
pH-Meßbereich vonn pH = 10 muß der Strom im Platinwiderstandsthermometer etwa 0
... 5 mA betragen.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der Ausgangsstrom des
Meßverstärkers außer einem Strommesser einen Widerstand durchfließt, daß die an
diesem Widerstand anfallende Spannung einen zweiten Verstärker ansteuert, in dessen
Ausgangskreis ein als Gegenkopplungswiderstand dienendes dem Meßmedium ausgesetztes
Widerstandsthermometer liegt, daß der zweite Verstärker einen auf das Widerstands
thermometer abgestimmten Strom liefert, und daß die am Gegenkopplungswiderstand
anfallende
Spannung der von den pH-Elektroden gelieferten Spannung entgegengeschaltet ist.
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Ausführuggsbeispiele der Erfindung werden anhand von Fig. 1 und 2
der Zeichnung erläutert. Einander entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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In Figur 1 ist mit V1 der eigentliche Meßverstärker und mit V2 ein
zweiter Verstärker bezeichnet. Im Ausgangskreis des Meßverstärkers V1 liegt ein
anzeigendes, registrierendes oder regelndes Instrument M und in Reihe dazu ein Widerstand
R1.
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Die an dem Widerstand R1 abfallende Spannung liegt am Eingang des
Verstärkers V2. Der Ausgangsstrom des Verstärkers V1 hat die genormte Größe von
0 ... 20 mA. Bei beiden Verstärkern ist jeweils eine Eingangsklemme mit einer Ausgangsklemme
verbunden. Im Ausgangskreis des Verstärkers V2 liegt als temperaturabhängiger Widerstand
ein Platinwiderstandsthermometer RT Der Verstärker V2 ist so bemessen, daß er bei
der beschriebenen Ansteuerung einen Ausgangs strom von etwa 0 ... 5 mA liefert,
der eine optimale Kompensation des Temperatureinflusses in einem weiteren Bereich
ermöglicht. Die an dem Platinwiderstandsthermometer abfallende Spannung ist der
von den pH-Elektroden gelieferten Spannung entgegengeschaltet. Das Platinwiderstandsthermometer
wird in die Meßarmatur für die pH-Elektroden mit eingebaut. Es ist daher ständig
der gleichen Temperatur ausgesetzt wie die Elektroden.
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Der Verstärker V2 kann praktisch als Stromuntersetzer angesehen werden.
Er ist daher für eine geringe Verstärkung und kleine Leistung ausgelegt. Die neuartige
Schaltung ermöglicht eine exakte Temperaturkompensation in einem weiten Bereich.
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Besonders vorteilhaft ist es, den Verstärker V2 als Differenzverstärker
auszubilden. Wenn man von der Konstantspannungsquelle zur Versorgung der Verstärker
über ein Einstellpotentiometer eine Spannung abgreift, die den Eingang des Verstärkers
V2 beeinflußt, kann der Nullpunkt des pH-Meßbereiches in einfacher Weise verschoben
werden. Die bei den bekannten Kompensationsschaltungen erforderliche zusätzliche
Konstantstromquelle entfällt daher.
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Zu Figur 2 sind die zu den Verstärkern V1 und V2 gehörenden Koppelwiderstände
mit eingezeichnet. Der eigentliche Meßverstärker ist mit Vi und der als Differenzverstärker
ausgebildete zweite Verstärker mit V2 bezeichnet.
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Die Spannung UpH der Me#elektroden liegt an den Eingangsklemmen K1
und K2. Die Klemme K1 ist direkt mit dem invertierenden Eingang E1 des Meßverstärkers
Vl verbunden. Der zweite Eingang E12 liegt an Masse. Im Ausgangskreis des Meßverstärkers
V1 liegt wiederum ein Regler, Schreiber oder Stromanzeiger M für den Bereich o...
20 mA. Der Widerstand dieses Instrumentes M ist mit RA bezeichnet.
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Der Differenzverstärker V'2 weist einen invertierenden Eingang E21
und einen nicht invertierenden Eingang E22 auf.
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Der Ausgangsstrom i, des Me#verstärders V, flie#t über 1-den Widerstand
R1 zur Masse. Zwischen dem Instrument M und dem Widerstand R1 ist ein Widerstand
R5 angeschlossen, der zu dem nicht invertierenden Eingang E22 des Differenzverstärkers
V2 geführt ist.
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Beide Verstärker werden von einer gemeinsamen Konstantspannungsquelle
B mit der Spannung U versorgt. Diese Spannung liegt symmetrisch zur Masse.Mit P
ist ein Potentiometer bezeichnet, dessen Enden an dem + und - Pol der Konstantspannungsquelle
B liegen und dessen Abgriff über einen Widerstand R6 mit dem Verstärkereingang E22
verbunden ist. Eine Verstellung des Abgriffes ändert die Eingangsspannung am Verstärker
V2 und führt dadurch zu einer Verschiebung des Nullpunktes des Anzeigebereiches
für den pH-Wert. Die Widerstände Rl, R2, R3, R5 und R7 sind so gewählt, daß der
Ausgangsstrom il des Verstärkers V1 auf den gewünschten Ausgangs strom i2 des Verstärkers
V2 untersetzt wird. Der Verstärker V2 ist über den Einstellwiderstand R2 und den
Widerstand R7 gegengekoppelt. Der invertierende Eingang E21 liegt an der Verbindungsleitung
zwischen den Widerständen R2 und R7. Ferner ist über den Widerstand R4 eine Mitkopplung
verwirklicht.
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Die Mitkopplungsschleife liegt am nicht invertierenden Eingang E22.
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Der temperaturabhängige Widerstand RT liegt zwischen dem Widerstand
R3 und Masse. Der Verbindungspunkt R3, R4, RT ist an die Eingangsklemme K2 geführt.
Der Widerstand RT, vorzugsweise ein Platinwiderstandsthermometer von 100 Ohm, dient
als Gegenkopplungswiderstand für den Meßverstärker V1.
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Die an dem Widerstand RT abfallende, von dem Strom i2 und der Temperatur
des Meßmediums abhängige Spannung ist der Meßspannung U entgegengeschaltet. pH Durch
die Gegen- und Mitkopplung im Verstärker V2 erreicht man, daß der Strom i2 nicht
von der Temperatur des Widerstandes RT abhängig ist. Somit ist die an RT abfallende
Gegenkopplungsspannung UGK eine reine Funktion der Temperatur T.
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Durch Änderung des Verstärkerfaktors des Verstärkers V2 kann die Steilheit
der pH-Kennlinie geändert werden. Zu diesem Zweck wird im Ausführungsbeispiel der
Gegenkopplungswiderstand R2 verstellt. Stattdessen könnte man. aber auch den Wert
des Widerstandes R1 verändern.
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7 Seiten Beschreibung 8 Patentansprüche 1 Blatt Zeichnung.