DE2228585A1

DE2228585A1 - Meßausrüstung zum Messen einer physikalischen Größe

Info

Publication number: DE2228585A1
Application number: DE19722228585
Authority: DE
Inventors: Sig Glerup Herlev Mikkelsen (Dänemark)
Original assignee: Radiometer AS
Current assignee: Radiometer AS
Priority date: 1971-06-18
Filing date: 1972-06-12
Publication date: 1972-12-28
Also published as: CH552790A; US3786345A; GB1390961A

Description

zur

Patentanwälte Ο!ρ!.-!γπ. R. BKKTZ sen.

DIpI-Fr:-. κ. ;..A'.'r'^:-^γ.ητ 44-18.89OP 12. 6. 1972

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RADTOMETER A/S, Kopenhagen, Dänemark

Messausrüstung zum Messen einer physikalischen Grosse

Die Erfindung betrifft eine Messausrüstung zum Messen einer physikalischen Grosse mit Mitteln zum Umwandeln der zu messenden Grosse in eine elektrische Grosse, die in einen Verstärker eingespeist wird, dessen Ausgang durch ein zweiadriges Kabel mit einer messergebnisverarbeitenden Apparatur verbunden ist. Die Mittel, mit deren Hilfe die zu messende Grosse in eine elektrische GrÖsse umgewandelt wird, können z.B. elektrochemische Elektroden sein, und die zu messende physikalische GrÖsse kann z.B. der pH-Wert einer Flüssigkeit sein.

In vielen Fällen, z.B. beim Messen des pH-Wertes einer Flüssigkeit mit Hilfe von elektrochemischen Elektroden, wie beispielsweise Glaselektroden, ist die elektrische GrÖsse, die der verarbeitenden Apparatur zugeführt werden soll, eine kleine elektrische Spannung aus einer Spannungsquelle mit hohem Innenwiderstand. In einem solchen Fall werden hohe Anforderungen an das Ubertragungskabel gestellt, damit eine störungsarme Übertragung dieser kleinen Spannung ohne zu hohe Verluste sichergestellt werden kann. Ausserdem sind die Elektroden oft sehr empfindlich; und es muss deshalb dafür gesorgt werden, dass sie nicht durch Spannungsspitzen oder andere durch das Ubertragungskabel auf sie gelangende Störungen beschädigt werden.

Diese Mängel sind bereits bei einer bekannten Messausrüstung behoben, bei welcher die Elektroden mit einem Impedanzwandler und einem Verstärker vereint sind, so dass für die Übertragung der Messergebnisse ein zweiadriges Kabel verhältnismässig geringer Qualität benutzt werden kann. Die bekannte Ausrüstung ist jedoch mit dem ernsthaften Nachteil behaftet, dass die elektrische Lei-·

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stung für den Impedanzwandler und den Verstärker von einem elektrischen Trockenelement geliefert wird, das im Inneren des Verstärkers untergebracht ist und von Zeit zu Zeit ausgewechselt werden muss.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Messausrtistung der voranstehend erwähnten Art zu schaffen, in welcher es möglich ist, ein ungeschirmtes, zweiadriges Ubertragungskabel als einzige Verbindung zwischen dem Verstärker und der verarbeitenden Apparatur zu benutzen, ohne dass die Unterbringung einer Batterie im Verstärker erforderlich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemässe Messausrüstung dadurch gekennzeichnet, dass die messergebnisverarbeitende Apparatur dazu eingerichtet ist, den Verstärker durch das zweiadrige Kabel mit Speisestrom zu versorgen sowie die Stärke des Speisestromes als Messergebnis zu verwerten und dass der Verstärker so eingerichtet ist, dass er die elektrische Grosse in eine entsprechende Änderung seines Speisestromes umsetzt. Da dem Verstärker der Speisestrom in diesem Fall durch das zweiadrige Kabel zugeführt wird, erübrigt sich die Anbringung einer Batterie im Verstärker, und der erwähnte Nachteil wäre somit behoben.

Ist der Verstärker mehrstufig, kann die Änderung im Speisestrom des Verstärkers, die einen Ausdruck für die elektrische Grosse darstellt, dadurch hervorgebracht werden, dass in der Ausgangsstufe des Verstärkers zwischen den Speisestromanschlüssen des Verstärkers eine Schaltung vorgesehen ist, die einen inneren Widerstand hat, dessen Grosse in Übereinstimmung mit der dem Eingang des Verstärkers zugeführten elektrischen Grosse variiert.

In vielen Fällen ist es wünschenswert, dass der Verstärker und damit die Mittel zum Messen der physikalischen Grosse von.der Verarboitungsapparatur galvanisch getrennt sind, und in diesem Fall kann die die Γ-'essergebnisse verarbeitende Apparatur einen Gleich-

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stromgenerator enthalten, der Speisestrom an das zweiadrige Kabel abgibt, welches zweiadrige Kabel eine von der Apparatur gespeiste Wechselrichterschaltung, einen von der Wechselrichterschaltung mit Wechselstrom versorgten Trenntransformator und eine vom Transformator gespeiste Gleichrichterschaltung umfasst.

Wird die Messausrüstung zum Messen des pH-Wertes einer Flüssigkeit mit Hilfe" einer Glaselektrode und einer Bezugselektrode benutzt, kann eine Temperaturkompensation auf einfache Weise dadurch erreicht werden, dass der Verstärker mit einer Gegenkopplungsschleife zur Spannungsgegenkopplung versehen ist, welche Gegenkopplungsschleife einen temperaturabhängigen Widerstand enthält, der in die Flüssigkeit eintaucht.

Auf der Zeichnung zeigt

Fig.l eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen Messausrüstung zum Messen von pH-Werten, und

Fig.2 eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Messausrüstung, und zwar teilweise in der Form eines Blockschaltbilds und mit einem in Einzelheiten dargestellten Separator.

Die in Fig.l gezeigte Messausrüstung besteht aus einer Messschaltung, die als Messergebnis einen elektrischen Strom abgibt, und einer die Messergebnisse verarbeitenden Apparatur mit einem Anzeigeinstrument, die durch ein Kabel mit der Messschaltung verbunden ist. Zur Ermittlung des pH-Wertes einer in einem Behälter 1 befindlichen Flüssigkeit hat die Messschaltung eine Glaselektrode 2 und eine Bezugselektrode 3, z.B. eine Kalomelelektrode, die zusammen mit einem temperaturabhängigen Widerstand 4> auf den weiter hinten in dieser Beschreibung näher eingegangen wird, in die Flüssigkeit eintauchen. Die zwischen den Elektroden auftretende Spannung, die vom pH-Wert der Flüssigkeit bestimmt ist, wird einem Verstärker 5 zugeführt, der so eingerichtet ist, dass sein Speisestrom in Abhängigkeit von der genannten Spannung variiert . . .-'""',=

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Als Eingang hat der gezeigte Verstärker 5 die Basis eines Feldeffekttransistors Ö, der in bezug auf die Masse des Verstärkers wie ein Emitterfolger wirkt, da der Kollektor mit Hilfe einer Zenerdiode 9 auf konstanter Spannung gehalten wird, während der Emitter mit Masse verbunden ist, und zwar über die Kollektor-Emitter strecke in einem entsprechenden Feldeffekttransistor 10, der als Konstantstromquelle arbeitet und dessen Basis mit dem Emitter verbunden ist. Die Feldeffekttransistoren 8 und 10 sowie die Zenerdiode 9 werden von einer Konstantstromquelle 11 gespeist.

Die Ausgangsspannung des Emitterfolgers δ wird auf die Basis eines Transistors 12 gegeben, der zusammen mit einem Transistor 13 als Differenzverstärker geschaltet ist, welcher von einer weiteren Konstantstromquelle 14 mit einem konstanten Strom gespeist wird. Die Lastimpedanz für den Differenzverstärker wird von der Kollektor-Emitterstrecke in einem Transistor 15 gebildet, dessen Basis-Emitterspannung von der Spannung an einem diodengeschalteten Transistor 16 festgelegt ist und deshalb hohen dynamischen Widerstand aufweist. Der andere Eingang des Differenzverstärkers wird mit Hilfe einer Zenerdiode 17, der über einen Widerstand 1Ö ein Vorstrom zugeführt·wird, auf in bezug auf die Masse konstanter Spannung gehalten.

Die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers wird auf die Basis eines Transistors 19 gegeben, der mit einem Emitterwiderstand 20 versehen und einem anderen Transistor 21 zu einem Darlington-Paar geschaltet ist, das einen grossen Verstärkungsfaktor hat. Um selbsterregtes Schwingen zu verhindern, ist ein Frequenzkompensationsglied aus einem Widerstand 22 und einem Kondensator 23 vorgesehen. 'Das Darlington-Paar erhält einen Vorstrom von einer Konstantstromquelle ZU und ist ausserdem mit seinem Ausgang mit der 2o surrpel^ktrode 3 und dem erwähnten temperaturabhängigen Widerstand 4 verbunden, welche in die im Behälter 1 befindliche Flüssigkeit eintaucht. Das andere Ende des Widerstandes 4 ist

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durch die Zenerdiode 17 mit der Masse des Verstärkers verbundene

Es ist ersichtlich, dass die Schaltung eine Verstärkerschaltung mit einer sehr starken Spannungsgegenkopplung darstellt und dass die rückgekoppelte Spannung in Serie mit dem Eingangssignal auf den Eingang gegeben wird. Die hohe Eingangsimpedanz, die der Schaltung durch die Anwendung des Feldeffekttransistors im Eingang verliehen wird, wird deshalb noch erhöht, während die Ausgangsimpedanz am Widerstand 4 niedrig ist.

In der beschriebenen Schaltung, in welcher die Spannung am Emitter im Emitterfolgertransistor Ö der Spannung an der Glaselektrode 2 folgt und in welcher die Spannungen an den Basen der Transistoren 12 und 13 infolge der hohen Verstärkung und der starken Gegenkopplung annähernd gleich sind, ist die Spannung am temperaturabhängigen Widerstand 4 fast genau gleich der Spannung zwischen den Elektroden 2 und 3· Da ausserdem im Verstärker KonstantStromquellen 11, 14 und 24 zum Speisen der einzelnen Verstärkerstufen mit Ausnahme der letzten Stufe benutzt werden, die das Darlington-Paar 19, 21 umfasst, dessen Strom eine durch den Widerstand 4 fliessende Komponente enthält, ist ersichtlich, dass der Speisestrom für den Verstärker gleich der Summe aus einem konstanten Strom und dem durch den Widerstand 4 fliessenden Strom ist. Der zweite Summand in dieser Summe ist der Spannung zwischen den Elektroden 2 und 3, welche ein Mass für den pH-Wert der Flüssigkeit darstellt, proportional. Folglich lässt sich mit Hilfe eine ^> zweiadrigen Kabels das pH-Messergebnis von der Messschaltung zu der die Ergebnisse verarbeitenden Apparatur übertragen,, und zwar gleichzeitig damit, dass die Messschaltung durch dasselbe Kabel mit Speisestrom versorgt wird. Dieses Kabel kann in seiner einfachsten Form aus zwei ungeschirmten Leitern bestehen und sehr preisbillig sein, weil die Ausgangsimpedanz der Messschaltur^ am Widerr-ta^d 4 sehr niedrig ist.

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Weil der Speisestrom des Verstärkers einen Anteil enthält, der vom pH-Wert der Flüssigkeit im Behälter 1 abhängig ist, enthält auch der Gleichstrom, der durch das Kabel 25 zugeführt wird, einen Anteil, der mit dem pH-Wert variiert. In der Apparatur 26 kann dieser Anteil von dem konstanten Anteil, welcher in der Verstärkerschaltung 5 über die Konstant Stromquellen 11, 14 und 24 verbraucht wird, abgetrennt werden. Der vom pH-Wert abhängige Stromanteil kann in der Messausrüstung von einem Anzeigeinstrument angezeigt oder von einem Schreiber aufgezeichnet werden, lässt sich jedoch auch als Steuersignal für beispielsweise eine Prozesssteuerung ausnutzen.

Die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes 4, der in die Flüssigkeit eintaucht und somit in gutem thermischem Kontakt mit dieser steht, wird zweckmässigerweise so gewählt, dass sie mit der Temperaturabhängigkeit der Spannung zwischen den Elektroden 2 und 3 übereinstimmt, so dass eine jede Temperatüränderung, die eine Erhöhung der Spannung zwischen den Elektroden 2 und 3 und eine entsprechende Erhöhung der Spannung am Widerstand 4 verursachen würde, eine entsprechende Vergrösserung des Widerstandswertes des Widerstandes 4 bewirkt, und deshalb der durch den Widerstand fliessende Strom gleich bleibt.

Oft ist eine galvanische Trennung von Messschaltung und messergebnisverarbeitender Apparatur erwünscht, z.B. wenn der Behälter 1 ein unbekanntes Potential hat. Damit sich die Messschaltung auf einem in bezug auf die die Messergebnisse verarbeitende Apparatur schwebenden Potential halten lässt, wird erfindungsgemäss somit ein Separator angegeben, der zwischen den Verstärker der Messschaltung und die die Messergebnisse verarbeitende Apparatur geschaltet werden kann. Eine Ausführungsform einer Messausrüstung mit einem derartigen Separator ist in Fig.2 in der Form eines Blockschaltbilds veranschaulicht, in dem derjenige Block, der den Separator darstellt, als ausführlicher Schaltplan wiedergegeben ist.

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Die in Fig.2 gezeigte Messausrüstung für pH-Messungen umfasst einen Behälter 1 mit Messelektroden, die an einen Verstärker 5 angeschlossen sind. Diese Blöcke können einen Aufbau wie den in' Fig.1 gezeigten haben. Der Speisestrom für den Verstärker 5, der die Information über den pH-Wert der Flüssigkeit im Behälter 1 enthält, wird über den Separator 27 dem Kabel 25 und dem Anzeigeinstrument 26 zugeführt. Das Kabel 25 und das Anzeigeinstrument 26 können ebenfalls so beschaffen sein, wie es aus· Fig.l hervorgeht.

Im Block 27 ist der Separator in der Form eines ausführlichen Schaltplanes dargestellt. Er enthält einen astabilen Multivibrator von an sich bekannter Art mit zwei Transistoren 28 und 29, bei denen Kollektor und Basis mit Hilfe von zwei Kondensatoren 30 und 31 kreuzweise verbunden sind, und jeder Kollektorkreis der Transistoren 28 und 29 ist mit Hilfe von je zwei Widerständen 32, 33 bzw. 34, 35 und einer Diode 36 bzw. 37 zwecks Hervorbringung eines rechteckförmigen Verlaufes der Kollektorspannung aufgeteilt. Die Basiswiderstände 3Ö und 39 zum Entladen der Kondensatoren 31 und 30 sind über Dioden 4o bzw. 41 mit dem Kollektor desjenigen Transistors verbunden, der zum betreffenden Zeitpunkt gesperrt ist, um hierdurch sicherzustellen, dass der Multivibrator mit Sicherheit anfängt zu schwingen, sobald er Speisespannung erhält. Für die Einstellung des Tastverhältnisses ist ein Potentiometer 42 eingeschaltet, dessen Abgriff über einen Widerstand 43 mit der Basis des Transistors 2$ verbunden ist, so dass sich die Entladezeit des Kondensators 30 durch Verstellen .: des"Potentiometers 42 ändern"lässt.

Der Multivibrator wird durch das Kabel 25 mit Strom versorgt, und die rechteckförmigen Ausgangsimpulse an den Kollektoren der beiden Transistoren 28 und 29 steuern über RC-Glieder 44 bzw. 45 die Basen in je einem der Transistoren 46 und 47, die hierdurch als Schalttransistoren arbeiten und Strom vom Kabel 25 abwechselnd durch die beiden Hälften der Primärwicklung eines Transformators 48

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schicken, so dass eine Wechselrichtung des Stromes erfolgt, der der Primärwicklung durch das Kabel 25 zugeführt wird«

Die in der von der Primärwicklung galvanisch getrennten Sekundärwicklung erzeugte Spannung wird in einer Brückenschaltung 49 aus vier Dioden gleichgerichtet und mit einem Kondensator 50 zu einer Gleichspannung geglättet, die den Verstärker 50 speist.

Bei der in Fig.2 gezeigten Ausführungsform des galvanischen Separators, bei dem der astabile Multivibrator lediglich als Steuerschaltung für die beiden Schalttransistoren dient und deshalb mit konstantem Stromverbrauch arbeitet und wobei die Schalttransistoren abwechselnd sperren i:nd durchschalten und deshalb keine wesentlichen Verluste verursachen, erreicht man durch die Anwendung eines Transformators, bei dem jede der beiden Hälften der Primärwicklung und die gesamte Sekundärwicklung die gleiche Windungszahl haben, dans dor vom pH-Wort der Flüssigkeit abhängige anteil des·dem Verstärker 5 zugeführten Speisestromes zu beiden Seiten dr.» galvanischen Separators in hauptsächlich derselben Grösee auftritt, so dass die Empfindlichkeit der Messausrüstung"trotz Zwischenschaltung des gezeigten Separators im wesentlichen unverändert bleibt= Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die auf dor Zeichnung veranschaulichte Ausführungsform beschränkt, sondern für einen Fachmann sind innerhalb des Rahmens der beigeschlossenen Patentansprüche viele andere Ausführungsformen denkbar«,

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Claims

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Patentansprüche

l.J Messausrüstung zum Messen einer physikalischen Grosse mit Mitteln (2, 3) zum Umwandeln der zu messenden Grosse in eine elektrische Grosse, die in einen Verstärker (5) eingespeist wird, dessen Ausgang durch ein zweiadriges Kabel (25) mit einer messergebnisvorarbeLtenden Apparatur (26) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet , dass die Apparatur (26) dazu eingerichtet ist, den Verstärker (5) durch das zweiadrige Kabel (25) mit Speisestrom zu versorgen sowie die Stärke des Speisestromes als Messergebnis zu verwerten und dass der Verstärker (5) so eingerichtet ist, dass er die elektrische Grosse in eine entsprechende Änderung seines Speisestromes umsetzt,
2. Messausrüstung nach Anspruch 1, bei der der Verstärker mehrstufig ist, dadurch gekennzeichnet , dass in der Ausgangsstufe (19» 21) des Verstärkers (5) zwischen den Speisestromanschlüssen des Verstärkers eine Schaltung vorgesehen ist, die einen inneren Widerstand hat, dessen Grosse in Übereinstimmung mit der dem Eingang des Verstärkers zugeführten elektrischen Grosse variiert.
3. Messausrüstung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (5) einen Konstantstromgenerator (11, 14, 24) für die Speisung der seiner Ausgangsstufe vorgeschalteten Verstärkerstufen enthält.
4· Messausrüstung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die die Messergebnisse verarbeitende Apparatur (26) 'anen Gleichstromgenerator enthält, der Speisestrom an das zweiadrige Kabel (25) abgibt, und dass das zweiadrige Kabel eine von der Apparatur gespeiste Wechselrichterschaltung (23 - 47), einen von der Wcchselrichterschaltung mit Wechselstrom versorgten Trenn-

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transformator (4&) und eine vom Transformator gespeiste Gleichrichterschaltung (49) umfasst.
5. Messausrüstung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die WechselrLchterschaltung einen astabilen Multivibrator (2Ö - 43) enthält, dessen Ausgang Schaltmittel (46, 47) steuert, welche in den vom Gleichstromgenerator in der Apparatur (26) zu dem in das Kabel eingeschalteten Transformator (48) führenden Stromweg eingeschaltet ist.
6. Messausrüstung nach jedem der voranstehenden Ansprüche zum Γ-^ssen des pH-Wertes einer Flüssigkeit, bei welcher Messung die dam pH-Wert entsprechende elektrische Grosse von einer Glaselektrode (2) und einer Bezugselektrode (3) geliefert wird, die an den Verstärker (5) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker mit einer Gegenkopplungsschleife versehen ist, welche Gegenkopplungsschleife einen temperaturabhängigen Widerstand (4) enthält, der in die Flüssigkeit eintaucht.

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