DE1932005A1 - Leitfaehigkeits-Messgeraet - Google Patents

Description

BEGKMAN INSTRUMENTS, INC., Fullerfeon /California (V.St.A.)

Leitfähigkeits-Meßgerät

Die Erfindung betrifft ein Leitfähigkeits-Meßgerät für Direktablesung.

Es ist bekannt, die elektrische Leitfähigkeit einer Lösung Mit Hilfe eines Geräts zu niessen, das eine Leitfähigkeitszelle in seiner elektrischen Schaltung aufweist. Derartige Geräte werden häufig zur Messung des Salzgehalts von Seewasser bzw. auaii von durch Seewasser fcontassiniörtem Süßwasser, verwendet! sie können eine elektrische Brückenschaltung aufweisen, wobei die Eeifefähigkeitszölle in einem Brückensweig angeordnet ist* 'Jpif l^ifcfahigk^ttazelle kann in einer Sintaucheinheit untörgebraehfe sein, die über eine Kabelleitung elektrisch «ife der BrUcke verbunden 1st.

Die Leitfähigkeitsiölle besteht in ihrem einfachen Grundaufbau typischerweise aus zwei In festem Abstand voneinander angeordneten mektrodtö innerhalb einer isolierende» Kammer* die Karmer dient dabei dazu, einen feil der su messenden Flüssigkeit oder Lösung sw isolieren bzw. abzutrennen. Die Elektroden

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sind mit Platin überzogen. Bei längerem Gebrauch der Zelle findet ein Verschleiß des Platins an den Elektroden statt; dies hat zur Folge, da3 in Reihe bit dem an der Zelle auftretenden ohmschen Widerstand der lösung eine unerwünschte Effektiv-Kapazität (als Polarisationskapazität bezeichnet) auftritt. Diese Verschlechterung oder Abnutzung der Zelle kann durch eine chemische Reaktion infolge der normalen Bewegung der Lösung bzw. des Wassers an den Elektroden vorbei und/oder durch eine mechanische Schleif- oder Schmirgelwirkung infolge der Bewegung von Schwebeteilchen, wie beispielsweise in dem Wasser vorhandenem Sand, hervorgerufen werden, Die Elektroden der Zelle müssen dann erneuert oder frisch platiniert werden, um sie wieder in ihren ursprünglichen Zustand zu versetzen. Das herkömmlicherweise in Verbindung mit der Leitfähigkeitszelle verwendete Wechselstrominstrument vermag zwischen einer Änderung des Widerstands der Lösung oder der Abnahme der Kapazität zwischen den Elektroden der Zelle nioht zu unterscheiden. Mit anderen Worfeens In den bekannten Leitfähigkeitsmeßgeräten mit direkter Ablesung hat die Zunahme der Zellenpolarisation (d.h. die Abnahme der Reihenkapazität der Zelle) eine falsche Anzeige der Leitfähigkeit der Lösung an dem Meßinstrument zur Folge«. Bei den bekannten Meßgeräten wird die Leitfähigkeit: der Lösung an dem Meßinstrument um einen Betrag zu niedrig angezeigt, der proportional der durch die Abnahme der Reihenkapazität der Zelle bewirkten Impedanzzunahme

Die Erfindung betrifft sömifceitt Leitfählgkeits^eßgerät . für Direktablesung* bei weicher eine die Keßlösuug ent* haltend© Leitpfähiekeifcszexi0alfe einer is* wesentlichen konstanten Wechselspannung beaufschlagt wird und ei& MeSinstrutnent in AtohÄngigkeit von de© Sfcro»flu8 durch die Leitftinigfceifcejsflle eine Anzeige für die Leitfähigkeit der Meß lösung liefert.

Durch die Erfindung soll ein Leitfähigkeltsraeßgerät geschaffen

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werden, das innerhalb bestimmter vorgegebener Grenzen genaue Messungen der I«itfShigkelt der Äung trotz einer Hinderung der Reihenkapazität der Zelle infolge von Polarisations* erschelnungen gestattetj durch die Erfindung soll auch bei einem derartigen i«itfähigkeitsmeögerät für pirektablesung Über einen gegebenen Bereich hin^ ininerfaalb des Geräts eine elektrische Kompensation hinsichtlich der unerwünschten Polariöationskapazität der Leitfähigkeitszeile gewährleistet werden, derart, daflUam KeSinstrumeht nur die Leitfähigkeit der Lösung[angezeigt wird* gl^iöh2Hti« soli eine einfache und sohneile Prüfung desJ^tands der Leitfähigkeitsjeile ermöglicht werden^ ohne daß iiierzu tlie Zelle aus dem ÖerSt entnommen und untersucht zu werden braucht. Die körperliche Entnahme der Zellen kann häufig aus räumlichen Gründen schwierig und/oder im Hinblick auf dadurch bedingte Sti 11-legung von Anlagen oder Unterbrechung von Verfahren kostspielig sein.

Zu diesem Zweck ist bei einem Leitfähigkeits-Meßgerät der erwähnten Art gemäß der Erfindung Vorgesehen, daß die kon- * stante Eingangswechselspannung dem Primärkreis eines Stromtransformators (13, Pigg, 1 und 4) zugeführt ist, welcher in Reihe mit der Primärwicklung des Transformators die Leitfähigkeitszelle (12) und einen Kondensator {18) aufweist, der durch einen normalerweise geschlossenen Händschalter (18) neben- bzw. kurzgeschlossen ist, und daß das Meßinstrument (16 bzw* 16') im Sekundärkreis des Strömtronsförmätors '(13) in Reihe mit der Sekundärwicklung des Transformators und mit einem Spannungsverstärker (l4) angeordnet ist, "

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen₄ daß in Reihe zwischen dem Spannungsverstärker (14) und dem Meßinstrument (16) ein als Synehrondetektor wirkender Schalter (15, Pig· 1) vorgesehen ist, der über einen mit der Speisewechselspannung beaufschlagten Phasen-

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schieber (17) mit der gleichen Frequenz wie die Leitfähigkeitszelle (1δ) beaufschlagt ist, wobei die Speisewechselspannung über einen gewünschten Bereich von Widerständen der Leitfähigkeitszelle konstanten Betrag und konstante Phase besitzt.

Indem gemäß der Erfindung in Rolhe mit; der Leitfähigkeitszelle eine normalerweise kurzgeschlossene Kapazität vorgesehen ist, wird hierdurch eine einfache und schnelle elektrische Prüfung dos Zustande der Zelle ermöglicht, ohne daß hierzu die Zelle ausgebaut un..l rVcereucht zu we-oen " braucht. Die gemäß der vortailaaf'r.p.n Ausgestaltung vorgesehene Verwendung eines Phasenschiebers" mit einem zugehörigen, als Synchrondetektor wirkenden Schalter ermöglicht gleichzeitig eine elektrische Kompensation hinsichtlich der unerwünschten Polarisationskapazität der Leitfähigkeitszellp₃ derart, daß die Anzeige bzw» Ablesung an dem Meßinstrument nur proportional der Leitfähigkeit der Lösung ist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand

der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen

Fig. 1 das Schaltschema einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Meßgeräts zur Bestimmung der Leit

fähigkeit von Lösungen;

die Figg. 2 und 3 graphische Darstellungen in Verbindung mit der Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung aus Fig. Ij

Fig. 4 das Schaltschema einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Das in Fig. 1 gezeigte Lösungsleitfähigkeits-Meßgerät ist ein Leitfähigkeitsanalysator mit Direktablesung^ bei welchem der Ausschlag des MeßJrakS^direkt proportional der Leitfähig-

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BADORItSiNAL

•Reit der Zelle ist. Die Schaltung des Geräts aus Fig, I weist eine Weohselstromquelle auf, welche für den in Frage kommenden Bereich der Widerstände der Leitfähigkeitszelle eine Spannung konstanter Größe und Phase erzeugt; diese Spannung wird über den Spannungsregler VR aus dem 110 V/60Hz-Netz geliefert. Mit dem Ausgang des Spannungsreglers VR ist die Primärwicklung P eines Transformators 10 verbunden, dessen eine Sekundärwicklung S-die Spannung konstanter Größe und Phase einem Stromtransfrjrmator 13 zuführt. In Reihe mit der Sekundärwicklung S des Transformators 10 und der Primärwicklung des Stromtransformators 13 liegt eine Leitfähigkeitszelle 12 und ein Kondensator lS, der normalertveise mittels eines Handschalters 19 neben- bzw. kurzgeschlossen' ist. Die Ausgangswechselspannung der Sekundärwicklung des Stromtransformators, die in der Größenordnung von 2 V liegen kann, ist proportional dem Strom -In der Primär v/ick lung des Stroriitranaformatorsj sie -.-lird über einen Spannungsverstärker 14 einem Schalter oder Kommutator 15 zugeführt. Der Spannungsverstärker 14 erhöht den Leistungspegel der den Kommutator bzw. Schalter 15 zugeführten Spannung. Der Schalter 15 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein elektrischer Schalter in Form, einer Brücke aus vier Dioden, könnte jedoch auch ein geeigneter mechanischer Schalter sein. Der Schalter 15 erzeugt einen gleichgerichteten Signalstrom für das als Anzeigegrät dienende Gleichstrom-Meßgerät 16. Die Wirkungsweise der Anordnung wire durch die Gleichung

Im = 8^s = K χ Leitfähigkeit der Zelle

^Rcell

beschrieben; darin bedeuten; Im den durch das Meßgerät 16 fließenden Gleichstrom, V den konstanter Betrag der Spannung an der Sekundärwicklung S des Transformators 10, A den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 14 und des Transformators unter Berücksichtigung des Gleichricht-Wirkungsgrades des Schalters 15, R _Α,_Ί den in der Zelle 12 herrschenden Wider-

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^BA ORiGiHAL ''

stand der Lösung, und K eine Xonsc-ante. Die Instrumentanzei.c>;e ist daher direkt proportional der Lösun^sleitfährgkeit der Zelle» Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Verwendung und Anordnung eines Phasenschiebers 17 in Verbindung mit der synchronen Wirkung des Schaltern 15. £,3 sei betont, daß der Phasenschieber von dem Transformator ID gespeist wird und daher den Schalter 15 rni'; der?,e"ben frequenz beaufschlägt, VTie sie der Zelle 12 zugeführt wird. Ein andere.? Merkmal der Erfindung besteht in öc-.-r Kombination des Kondensators l8 mit seinem Kurs- oder Nebe^ehlufisnhiilfcer 19 in Reihe mit der Leitfähigkeit?, se L It 12.

Im folgenden wird nur. unter Bezugnahme- auf dio graphischen Darstellungen in den Ficg. ?- un.-l 3 di-j V/irkunjjowaise der Schaltung aus Fig. 1 beschrieben.

In Fig» 2 veranschaulicht die Kurve A den Strom im Meßgerät für einen gegebenen Widerstand der Lösung in der Zelle für unendlich große Reihenkapazität Polarisation Null). Die Kurve B veranschaulicht den Keßgerätestram für den'gleichen Wert des Lesungswiderstandes, jadoch be j hoher Polarisati.onj d.h. für eine geringe Reihenkapazität infolge einer Verschlechterung der Zellenelektroden. V/ie ersichtlich, besitzt in diesem Fall der Ssroir. eine geringere Amplitude ναΊ ei?t in seiner Phase bezüglich dem Synchronschalter vnr. Der, mittlere oder durchschnittliche Meßgeräte.'-· trom wird beim Vorhandensein einer unerwünschten Zellea-rolarisation weiter noch durch den "negativen" Anteil der Wellenform gemäß der Kurve B verringert. Diese Zellenpolari^ation bewirkt eine Abnahme der Leitfähigkeitsanzeige,, selbst bei unveränderter Leitfähigkeit der Lösung in dieser Anordnung. Indem man. eins η festen PhaEennachei.lun-jsv.-ink^I 8 vorsieht, wie in Fig. 35 .für einen nicht-pclarisi&rten Zustand äer Zelle gezeigt, erhält man den Kurvenverlauf Λ' fir den Heßgerätestrom. Wie ersichtlich, besitzt die Kurve A' eicen positiven und einen

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negativen Teil, Der durchschnittliche odev Iiittelwert des Meßgerätestroms wird durch den-"negativen" Teil der Kurve A¹ verringert. Mit zunehmender Polarisation der Zelle verringert" sich die Amplitude der Wellenform B wiederum und wird in ihrer Phase nach vorwärts verschoben« wie vorstehend anhand der Kurven von Fig. 2 diskutiert wurde Die Abnahme des "negativen" Teils der Wellenform A' des Meßgerätestroms infolge der Polarisation kompensiert die Amplitudenabnahme mit zunehmender Polarisation, bis der durch dsn Meßgerätestroro B' wiedergegebene Zustand erreicht ist iFig. 5). Eine weitere Zunahme der Polarisation (Abnahme der Roj heni;a.pazit£.t) führt zu dem Verlauf C des I-ieß^erätestront' ■. D?.s Auftreten des "negativen" Teil- am hinteren Ende der Kurve C zeigt das Ende des Kompensctionsbereichs mit einer Abnahme der Leitfähigkeits-Meßanzeige an. Die Wahl des Winkels 9 der festen Phasennachejlun;; durch die Beutelle cer Phasenschieberschaltung 17 bestimmt dem Kompensationsbsreich und die Anzeigegenauigkeit. Der Kondensator ■ 18 mit seinem Kurzschließschalter- 9 bilden einen elektrischen Simulator für eine erhöhte Zellenpolarisation. Durch Öffnen des Schalters 19wird der Konden- ' sator 18 in Reihe mit der Zelle eingeschaltet. Ist die Polarisation der Zelle solcher Art, daß die kombinierte Reihenkapazität den Meßgerätestro^. über dan B'-Zustand in Pig» 3 hinaus in den C~Zustand bringt, so. fällt die Leitfähigkeitsanzeige {d.h. der Meßgerätestrom) ab. Ist die Zellenpolarisatiori hinreichend klein, so verbleibt der Meßgerätestrom auch bei Einfügung der Kapazität lS zwischen den Zuständen A und B_f ohne Änderung der Ableseanzeige.

Bei voller Leitfähigkeit der Zelle ergibt sich eine maximale Meßgerätanzeige für einen gegebenen Meßbereich des Instruments« Sobald die Polarisation der Zelle infolge einer Verschlechterung der Elektroden zunimmt, ist die MeÖgeräteanzeige kleiner als dem richtigen Viert nach dem Widerstand der Lösung entspricht. Die gemäß der Erfindung vorgesehene Verwendung eines Phasenschiebers in Verbindung mit einem Synchrondetektor er-

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?ibt eine Kompensation bezüglich dieses unerwünscht;en Polarisationszustandes, innerhalb der durch den Phasenschieberwinkel bestimmten Grenzen. Ist die Polarisation zu groß, so •tritt die Kompensation nicht ein; die Instrumentanzeige sinkt beim Simulieren einer Zunahme dor Polarisation oder Abnahme der Kapazität durch Öffnen aes Schalters 19 (wodurch eine weitere Reihenkapazität eingeschaltet wird) ab; dies ist eine Anzeige dafür, daß die Zollr 3ich in schlechtem Zustand befindet und entweder ausgewechselt oder neu platiniert werden sollte. Bei einwandfreiem Zustand der .Zelle bewirkt das öffnen des Schalters 19 keinerlei Abnahme der, Stroms im Anzeigeinstrument 36 (d.h. keinen Abfall in der Instrumentanzeige gemäß der Auslenkung des Instrument-Keigers). Der Schalter 19 ist normalerweise geacnlossen. Fa3l£ ein AbS.ll der Instrument -anzeige auftritt, kann die Zeil?· erneuert werden, ohne daß hierzu die Zejjp untersucht zu werden braucht«

Kan erkennt, da3 axe gemä:?. der Er ftf- clung vorgesehene Verwendung einer "Phasenverschiebung ?.v?isc-h"en der Spannungsquelle für die Zelle und dem Synchronschalter 15 eine Kompensation der Leitfähigkeitsablesun.g hinsichtlich Änderungen des Zustande der Zelle bewirkt, während die Verwendung des Reib.enkond.ens at orp 18 mit dem zugehörigen. Kurzschließschalter 19 eine elektrische Prüfvorrichtung zur Bestimmung des Zustands der Seile darstellt.

Eine abgewandelte Ausfuhrungsform der Erfindung ist in Fig* dargestellt^ diese Aus füiirungs form ermöglicht eine Prüfung des jeweiligen Zustande der Zelle, jedoch ohne Kompensation der Instrumentablesung. In Fig. 4 sind der feste Phasenschieber IT und der Synchronschalter 15 aus Fig. 1 fortgelassen» Das

instrument ; ■ . ■

MeßggKMfe ist ein Weehselstrorn-Anzeigeinstrumenti der Reihenkondensatcr 18 und der Kurzschließschalter 19 aus Fig. 1 sind beibehalten. Der Betrag des Stroms in dem Wechselstrom-

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BAOORIQINAL

•instrument ist eine Funktion des Kosinus des durch die Zellenpolarisation bewirkten elektrischen Winkels, für eine konstante Lösungsleitfähigkeit. Das bedeutet, daß bei Aufhebung des Neben- bzw. Kurzschlusses des Kondensators 18 durch Öffnen des Schalters 19 die hierdurch bedingte Änderung der Leitfahigkeitsanzeige wesentlich größer ist, wenn die Zellenpolarisation gro3 (d.h. die Reihenkapazität klein) ist, als bei niedriger Polarisation (d.h. großer bis unendlicher Reihenkapazität). Demgemäß bildet die Größe der Änderung der Leitfähigkeitsanzeige bei Aufhebung des Neben- bzw. Kurzschlusses des Kondensators 1δ mittels des Schalters 19 eine Anzeige für den Zustand der Zelle. Ist die Zelle in gutem Zustand, so hat das öffnen des Schalters 19 nur eine geringfügige oder überhaupt unmerkliche Abnahme der Zeigerauslenkung des Meßgeräts zur Folge, Befindet sich die Zelle in schlechtem Zustand, d.h. ist sie stark polarisiert, so ist der Abfall der Meßgeräte-Zeigarablenkung wesentlich größer und deutlich wahrnehmbar. Somit 1st das Ausmaß der Änderung der Instruraentanzeige (Leitfähigkeitsanzeige) eine Funktion des Zustande der Zelle.

Ein wesentlicher Vorteil der Anordnung gemäß Fig. 1 besteht darin, daß die Leitfähigkeitsanzeige unabhängig von der Polarisation der Zelle wird, und zwar über einen Bereich von Zuständen der Leitfähigkeitszelle hin., die andernfalls eine erhebliche Änderung der Leitfahigkeitsanzeige verursachen wurden.

Ein wesentlicher Vorteil der Anordnungen gemäß den Figg. 1 und 4 besteht darin, daß der Zustand der Zelle auf elektrischem Wege am Meßinstrument ohne körperliche Entnahme der Zelle und deren mechanische Untersuchung bestimmbar ist.

- Patentansprüche 909881/1113

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1.) Leitfähigkeits-Meßgerät für Direkte bissung, .bei welcher eine die Meßlösung enthaltende Leltiähigkeitszelle mit einer im wesentlichen konstanten Wechselspannung beaufschlagt wird und ein Meßinstrument in Abhängigkeit von dem Strowflufl durch die Leifcf£higk«itsfcelle eine Anzeige für die Leitfähigkeit der Meßlösung liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die konstante Eingangswechselspannung dem Frimärkreis eines Stromtransformators (13> Pigg. 1 und 4) zugeführt ist, welcher in Reihe mit der Primärwicklung des Transformators die Leitfähigkeitszelle (12) und einen Kondensator (lS) aufweist, der durch einen normalerweise geschlossenen Bandschalter (l8j neben- bzw. kurzgeschlossen ist, und daß aas Meßinstrument [16 bzw. l6^f) im Sekundärkreis des Stromtransformators (1^) In Reihe mit der Sekundärwicklung ces Transformators und mit einem Spannungsverstärker (Ik) angeordnet ist.

   . Leitfähigkeitsmeßger-ät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Keßinstrument fl6',

   daß

   Fig. 4) ein Wechselstrominstrument ist, und/an der Reihenschaltung aus der Primärwicklung des Stromtransfcrmators (13), der Leitfähigkeitszelle (12) und dem Kondensator (l6) eine konstante Wechselstronispannung in der Größenordnung von 2 V liegt.

   Leitfähigkeitsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zwiscnen dem Spannungsverstärker (14) und dem Meßinstrument (Ιο) ein als Synchrondetektor wirkender Schalter (15* Fig· 1) vorgesehen ist, der über einen mit der Speisewecnselspannung beaufschlagten Phasenschieber.- (17) mit der gleichen Frequenz wie die Leitfähigkeitszelle fl8) beaufschlagt ist, wobei

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   die Speisewechselspaiinung über einen gewünschten Bereich von Widerständen der Leitfähigkeitszelle konstanten Betrag und konstante Phase besitzt,

   4. Leitfähigkeitsmeßgerät nach Anspruch Jj, dadurch gekennzeichnet , daß die Speisewechselstromquelle einen Spannungsregler (VR) und einen Transformator (10) aufiveist, dessen Primärv/icklung (P) mit dorn Spannungsregler (VR) verbunden ISt₅ und der zwei Sekundärwicklungen (S, a) besitzt, von welchen die erste fs) die Speisewelchselspannung für das Reihenschaltungsglied aus der Primärwicklung des Stromtransformators (13). der Leitfähigkeitszelle (12) und dem Kondensator (l8) lte?ert und die zweite (a) ein Teil des Phasenschiebers (17) ist, welcher eine über der zweiten Sekundärwicklung liegende Reihenschaltung aus einem Kondensator und einem Widerstand aufweist.

   5. Leitfähigkeitsmeßgerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß der als Synchrondetektor wirkende Schalter (15., Fig. l) ein elektrischer Schalter in Gestalt einer aus vier Dioden bestehenden Brückenschaltung ist, über deren einer Diagonale dar Phasenschieber (17) liegt und deren andere Diagonale mit dem Spannungsverstärker (14) und dem Meßinstrument (l6) verbunden ist.

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