DE2325055A1

DE2325055A1 - Elektromagnetische anordnung zur digitalen messung der elektrischen leitfaehigkeit

Info

Publication number: DE2325055A1
Application number: DE2325055A
Authority: DE
Inventors: Goro Kobayashi
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd; Japan Society For Promotion of Machine Industry
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd; Japan Society For Promotion of Machine Industry
Priority date: 1972-05-18
Filing date: 1973-05-17
Publication date: 1973-11-29
Also published as: JPS4917273U; JPS5339259Y2; US3855522A; FR2184992B1; DE2325055C3; GB1396813A; DE2325055B2; FR2184992A1

Description

2325CT55

Dr. Ing. H. Negendank

. Dip!

1. OKI ELECTRIC INDUSTRY CO., LTD. Dipl. Ing.E.GrasSfs-Dipl. Ing. W. Wehnert

10, Shiba Kotohira-cho Telefon 5380586

Minato-ku, Tokyo, Japan.

2. JAPAN SOCIETY FOR THE PROMOTION
OF MACHINE INDUSTRY

5-8, 3-chome, Shibakoen,

Minato-ku, Tokyo, Japan München, 14.5.1973

Anwaltsakte M-2653

Elektromagnetische Anordnung zur digitalen Messung der elektrischen Leitfähigkeit

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Meßvorrichtung zur digitalen Messung der elektrischen Leitfähigkeit von leitenden Flüssigkeiten, mit einem digitalen Ausgang, der dem Verhältnis der gemessenen Leitfähigkeit zu einer Standard- oder Vergleichsleitfähigkeit entspricht.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird zunächst ein Beispiel einer bekannten Leitfähigkeitsmeßvorrichtung mittels elektromagnetischer Induktion nach Fig. 1 beschrieben. Die Vorrichtung in Fig. 1 besteht aus zwei magnetischen Kernen 1 und 2. Kern 1 ist mit einer Primär- oder Erregungswicklung 3 versehen, und der Kern 2 mit einer Ausgangswicklung 4, einer Eichwicklung 5 und eine Standard- oder Vergleichswicklung 6. 7 bezeichnet eine Wechselspannungsquelle, deren Spannung an die Vergleichswicklung 6 über ein Potentiometer 8 angelegt ist„ Ein fester Kontakt 10 eines !Umscnalters 9 ist mit einem Ende der Primärwicklung 3 verbunden

und der andere feste Kontakt 11 ist mit dem Ende der Eichwicklung 5 über einen Widerstand 12 verbunden. Die anderen Enden'der Primär wiclung³und der Eichwicklung 5 sind mit der einen Seite der Spannungsquelle 7 und der bewegliche Kontakt des Umschalters 9 ist mit dem anderen Ende der Spannungsquelle 7 verbunden. Ein-Ende der Vergleichswicklung 6 ist mit dem genannten einen Ende der Spannung; quelle 7 verbunden, das andere Ende ist mit einem Zwischenabgriff des Potentiometers 8 über einen Widerstand 13 verbunden, der einen Wert hat, der der Standardleitfähigkeit eltspricht.

Mit dieser Vorrichtung wird die Leitfähigkeit in folgender Weise gemessen: wenn der Umschalter 9 auf Kontakt 10 liegt, und die Kerne 1 und 2 in die zu messende elektrisch leitfähige Flüssigkeit tauchen, würde ein durch den magnetischen Fluß durch den Kern 1 induzierter Strom durch die Flüssigkeit fließen. Dieser Strom schließt sich um den Kern 2, wie in der punktierten Linie . gezeigt, und induziert eine Ausgangsspannung in der Ausgangswicklung 4, die der Leitfähigkeit der Flüssigkeit proportional ist. Da die Vergleichswicklung 6 so gewickelt ist, daß sie im Kern 2 einen magnetischen Fluß erzeugt, der dem durch den Strom, der durci die Flüssigkeit fließt und den Kern 2 umschließt, induzierten Fluß entgegengerichtet ist, wird die induzierte Ausgangsspannung in der Ausgängswicklung 4 der Differenz zwischen diesen beiden Flüssen proportional sein«

Die Ausgangsspannung einer solchen Leitfähigkeitsmeßvorrichtung wird jedoch durch die magnetischen Eigenschaften der Kerne 1 und Z und durch Abweichungen der Spannungsquelle beeinflußt. Um j

- 3 solche Einflüsse auszuschalten, wird oft ein Servomechanismus in den Spannungsteiler 8 eingebaut. So ein Servomechanismus regelt, das Potentiometer so, daß die Ausgangsspannung auf 0 gebracht wird und ist als die Null-Methode bekannt. Solche Vorrichtungen können das Verhältnis der zu messenden Leitfähigkeit zur Standard leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Stellung des Abgriffs des Potentiometers, d.h. dem Verhältnis der Spannungsteilung, bestimmen. ■

Der Einbau solcher Servomechanismen kompliziert nicht nur die Anordnung, sondern vergrößert auch die Möglichkeit für Fehler der Meßvorrichtung. Überdies verlangt die herkömmliche Meßvorrichtung eine Eichwicklung, um die Skala des Anzeigeinstruments zu eichen.

Außerdem geht die neuere Entwicklung dahin, den Ausgang von Meßvorrichtungen digital darzustellen. Da in den älteren Vorrichtungen der Ausgang der Ausgangswicklung durch einen konventionellen Analog-Digital-Umsetzer in eine digitale Größe umgesetzt j wird, würde jeder Fehler in der Ausgangsspannung auch im Ausgang des Umsetzers auftreten.

j Es ist demnach die Aufgabe der Erfindung, eine sehr genaue elek-

tromagnetische Meßvorrichtung für die digitale Messung der elektrischen Leitfähigkeit von Flüssigkeiten zu schaffen, die die oben genannten Nachteile nicht aufweist. Ferner soll, eine neue und verbesserte elektromagnetische Leitfäiiigkeitsmeßvorrichtung geschaffen werden, die leicht zu handhaben ist und deren Ergebnisse schnell nachprüfbar sind.

309848/0992

2325p55

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch eine elektromagnetisch Vorrichtung zur Messung der Leitfähigkeit gelöst, die folgendes" enthält:

einen ersten magnetischen Kern mit einer ersten Wicklung, eine Wechselspannungsquelle, erste Schaltmittel zur Versorgung der ersten Wicklung mit Erregerstrom, einen zweiten magnetischen Kern mit einer zweiten Wiclung, einen Spannungsteiler, der an die Spannungsquelle angeschlossen ist, um einen bestimmten Teil der Spannung an die zweite Wicklung zu legen, und mit einer Ausgangswicklung auf dem zweiten Kern, wobei die beiden Kerne in die leitfähige Flüssigkeit eintauchbar sind, deren Leitfähigkeit ge-

messen werden soll. Diese Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Gleichrichter vorgesehen ist, von dem die in der Ausgangswicklung induzierte Spannung gleichgerichtet wird und Ausgangsspannungen positiver und negativer Polarität geliefert werden, s'owie ein Integrator und zweite Schaltmittel zum selektiven Anschluß der positiven oder negativen gleichgerichteten Ausgangsspannungen an den Integrator, eine Vergleichsvorrichtung zum Vergleich des Ausgangs vom integrator mit einem Null-Potential, und ein durch den Ausgang der Vergleichsyorrichtung gesteuerter Impulszähler mit einem digitalen Ausgang, der der Leitfähigkeit der Flüssigkeit entspricht.

Die Erfindung ist nachstehend in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert»

-s-

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild einer bekannten elektromagnetische Vorrichtung zur Leitfähigkeitsmessung

Fig. 2 ist ein Schaltbild einer digitalen Heftvorrichtung zur Messung der Leitfähigkeit von Flüssigkeiten gern* der Erfindung

Fig. 3 zeigt ein Diagramm zur Erklärung der Wirkungsweise

eines Integrators, der in dieser Erfindung verwendet wird und

Fig. 4 . ist ein Schaltplan einer teilweise abgeänderten Ausführung dieser Erfindung.

In Fig. 2 sind Schaltelemente, die denen der Fig. 1 entsprechen, durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Ausgangs- spannung der Ausgangswicklung 4 ist über einen Wechselspannungs verstärker 14 an einen Gleichrichter 15 angeschlessen, der zwei Dioden entgegengesetzter Polarität enthält. Der Ausgang des Gleichrichters 15 ist mit zwei festen Kontakten des Umschalters 16 verbunden. Der bewegliche Teil des Umschalters 16 ist mit einer Vergleichsvorrichtung 2o über einen Integrator 19 verbunden und der Ausgang der Vergleichsvorrichtung 2o ist zusammen mit dem Ausgang eines Impulsgenerators 21 an die Eingänge eines UND-Tores 22 gelegt. Der Ausgang des UiVD-Tores 22 liegt an einem Impulszäiiler 23, der eine digitale Größe ausgibt, die die Leitfähigkeit der zu messenden Flüssigkeit darstellt.

- 6 109848/0902 -....-.

Die in Fig. 2 gezeigte Meßvorrichtung arbeitet wie folgt: die Spannung der Wechselspannungsquelle 7 sei e-.. Wenn der Umschalter 24 auf den oberen Kontakt 25 gelegt wird, so wird der Ringkern 1 durch die Erregerspule erregt. Wenn, wie oben beschrieben, beide Ringkerne 1 und 2 in die zu messende Fltissigkeiteingetaucht sind, wird ein Strom i in der Flüssigkeit induziert und ein TeJl des induzierten Stroaes i* wird den Ringkern 2 um-c schließen, dadurch einen magnetischen FIuH in demselben induzieren, und dadurch eine Spannung e₂ in der Ausgangswickltmg 4 induzieren, die in der folgenden Gleichung (1) ausgedrückt ist.

e.

Darin bedeuten:

CM

ⁿ1 ⁿ2

μι

die Kreisfrequenz der Quellenspannung e~ die Windungszahl der Erregerspule 3 die Windungszahl der Ausgangswicklung 4 die Permeabilität des magnetischen Kernes 2 die Querschnittsfläche des magnetischen Kernes 2 die magnetische Länge des Kerns 2 einen Koeffizienten, der den Prozentsatz des Teiles i* von dem induzierten Strom wiedergibt, der den magnetischen Kern 2 umschließt die Leitfähigkeit der Flüssigkeit.

Wenn man den Umschalter 24 auf den unteren Kontakt 26 schaltet, ist die in der Ausgangswicklung 4 induzierte Spannung e^ durcn folgende Gleichung ausgedrückt: ~ 7 '-

Hierbei bedeutet:

a*⁵ ; die Eahl der Windungen der Vergleichswicklung 6 la : das Verhältnis der Spannungsteilung des Potentiometers 8

' t : der liderstand des Widerstandes' 15.

Liegt der umschalter 16 auf Kontakt 17₉ und der Jmschalter 24 auf dem oberen Kontakt 25 ₉ so wird die Ausgangsspannyag e„ des magnetischen Kerns 2 durch den Verstärker 14 verstärkt, durch den Gleichrichter 15 gleichgerichtet .%mä dann durch .den Integrator 19' für eine bestimmte- Zeit T_n integriert»

Fig.. 3 zeigt die Wirkungsweise des lategrators 19. In Abhängigkeit von der Größe des Ausgangs des Gleichrichters 15 wird das integral Ä«, »_2ί a, _οβο nach der* Zeit T_Q gebildet. Werden nun die Schalter 24 und 16 auf die IContakte 26 und 18 gelegt, obwohl die Aus gangs spannung der Aus gangs wick lung. 4 gleich e«¹ -ist_e da die untere Diode mit der entgegengesetzten Polarität mit dem Kontakt 18 verbunden ist₉ so wird die Polarität des Ausgangs vom Gleichrichter umgekehrt, wodurch der Ausgang des Integrators 19 nach einem Intervall T Null wird, wie es in Fig. 3 gezeigt ist.

Die Vergleichsvorrichtung 2o vergleicht die Ausgangsspannung des

Integrators miteinem Null-Potential. Unter Berücksichtung der Ausgangsspannung e₂ wird der Integratorausgang E wie folgt ausgedrückt

E =1 e₂ d t = T₀ e₂ ..-......_.. (3) - ■ -

und für die Ausgangsspannung e₂ ^s wird die Integratorausgangsspannung E¹ wie folgt ausgedrückt

e₂« d t a τ e₂ ⁸ «... (4)

Das bedeutet, daß das Eingangsniveau an der Vergleichsvorrichtung vom Integrator nach dem Zeitintervall T₀ ⁺T Null wird.

Wenn nun angenommen wird, daß das UND-Tor 22 sofort nach dem Zeitintervall T_n . - , -,* * so daß mit dem Zählen der Aus-Δβϊ.Έΐηχ«ναχχ 0 durchschallet,

ganspulse des Pulsoszillators 21 durch den Zähler 23 begonnen werden kann₉ und daß der Zähler gestoppt wird, wenn der Ausgang von dep Vergleichsvorriehtung 20 verschwindet, so erhält man mithilfs ä©s? Gleichungen 3 und Ht

m jg ^₁ ΠΓ»

ο Q oooooooooooooooooöoo

^e2

Wenn Gleichung 5 in die Gleichungen 1 und 2 eingesetzt wird,

ergibt sich; ⁿi
jw—

^χ ₁

_²__: . τ - ^k^^{m r}--- τ

¹Z ^m ^Γ ' ' . . 9 _

^ 9 Wenn der Wider stands wert ν so abgeglichen XSt₅, daß r =

wenn das Verhältnis der Spannungsteilung m am Potentiometer 8 so eingestellt ist, daß m = n«. n«^f

JL ^

/ο ^υ

Demgemäß erfolgt die Messung der Leitfähigkeit der zu messenden Flüssigkeit durch Auszählen des Intervalls T. Der Betrag des Intervalls T kann al© digitaler Ausgang direkt vom Ausgang den Zählers 23 abgelesen werden. "Die Leitfähigkeit kann auch ohne irgendwelche Umwandlungsoperationen direkt durch bloßes Einstellen der Pulsfrequenz ausgeschrieben werden. Die Justierung der Werte £ und m ist nicht immer nötig ι es ist nur im Endstadium der Justierung der LeitfähigkeitsmeSvorriehtunp nötig₉ halbfeste Werte dieser Parameter nut©:? Benutzung eines» Standairdleitflüssigkeit auszuwählen»

'Fig. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführung dez» Erfindung, mit der die Genauigkeit der Messung noch gesteigert werden kanne In dieser Ausführung wird ein Quotient aus der Differenz zwischen der induzierten Spannung ®₂'_a di© d'ez» Lsitfähigkeit JT der Flüssigkeit entspricht₉ und d@x· induzierten Spannung ®o^s _s die des» Standardleitfähigkeit f _Q entspricht_s verwendete Wenn in Figo ¹^ der Schalter 27 geschlossen ist₉ wird die Aus gangs spannung des» Ausgangswicklung *f durch- e« - e«⁵ ausgedrückt und das ¥ex»tiältnis dieser Ausgangsspannung zw Ausgangsspannung e_' unter der B@- -dingungs' daß Schalter 27geöffnet ist₈ wird durch die folgende Gleichung 7 in der gleichen Weise wie -.in d@r vorhergehenden

	ausgedrückt:	- Io -
Ausführungsform
^β2 " * T ir	1 ^S —~ *Q V	f-fo
	fo

Sogar wenn der zu messende Wert f nahe an dem Wert der Standardleitfähigkeit liegt, ist es möglich, f mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.

Die Arbeitsweise der Leitfähigkeitsmeßvorrichtung nach dieser Erfindung kann schnell überprüft werden. Genauer, in d*y Schaltung in Fig. 2 wird zuerst der Umschalter 2H auf Kontakt 26 gelegt, um während der Zeit T_Q zu integrieren, und dann wird der Schalter 16 zum Integrieren umgeschaltet, während der Schalter 2** auf Kontakt 26 bleibt. Da der Gleichrichter 15 die gleiche Eingangsspannung erhalt, wird die Integrationszeit T a T₀ ^f, wodurch die Arbeitsweise der Meßvorrichtung nachprüfbar ist. Derselbe Zweck kann erreicht werden, wenn der Schalter 2*» auf den Kontakt 25 gelegt wird.

Außer der Vorrichtung für einen digitalen Ausgang hat die Meßvorrichtung nach dieser Erfindung folgende Vorteile. So enthält, wie in den Gleichungen 1 und 2 gezeigt wird, die Ausgangsspannung der früheren Meßvorrichtungen die Quellenspannung ^₁ und die Konstanten/^, A₂ und I₂ de» magnetischen Ringes, wogegen die Aus gangs spannung, die durch die neue Leitfähigkeitsmeßvorriehtung erzeugt wird, nur die Parameter der Gleichung 6 enthalten sind. Da insbesondere die Permeabilität U₂ durch den herrschen-• " - " - 11 -

den Brück sind Temperatur¹ !beeinflußt wird, Ist di© neue Vorrichtung besoft&ers für Messungen des Salzgehaltes in tiefem Seewasser geeignet. Da die■Ve^gleiehsvorriehtung durch Anlegen zweier Eingänge ¥ersehledeaei? Polarität an den Integrator auf Null-Potential betrieben wird«, ist das Meßergebnis genauer, da es nicht durch Schwankungen der Spannungsquelle beeinflußt wird» "

Da es ferner nicht nötig Ist_D Irgendwelche komplizierten Mechanismen t-jlät einen Servomechanismus zu verwenden _s ist es möglich, eine verläßliche msiü kompakte Leitfählgkeitsmeßvorrichtung zu schaffen«, Ober den Umschalter ist fester die richtige Arbeitsweise der Anordnung kontrollierbar· So ermöglicht die Erfindung eine verbesserte M©ßvo2»richtung sös? digitalen Messung des? Leitfähigkeit von Flüssigkeiten durch ©lektromagnetische Induktion 9 die "Zuverlässig arbeitet und sehr genau ist«

Claims

PatentanwXH·

Dr. Ing. H. NegendanJc DJpI. Ing. H. Hauek - DIpI. Phyt. W. Schmitt

DipUng. E. Graffs - Dipl. Ing. W. Wehneft β München 2, MoiartstraB· 23

1, OKI ELECTRIC INDUSTRY CO., LTD. T«l«fon 53»0580

10, Shiba Kotohira-cho
Minato-ku, Tokyo, Japan
2. JAPAN SOCIETY FOR THE PROMOTION
OF MACHINE INDUSTRY

5-8, 3-chome, Shibakoen,

München, 14.5.I973

Anwaltsakte M-2653

Patentansprüche

r· \ ■

T/ Vorrichtung zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit mittels elektromagnetischer Induktion bestehend aus einem ersten magnetischen Kern mit einer ersten Wicklung^ einer Wechselspannungsquelle, ersten Schaltmitteln zur Versorgung der ersten Wicklung mit Erregerstrom, einem zweiten magnetischen Kern mit einer zweiten Wicklung, einem Spannungsteiler', der an die Span— nungsquelle angeschlossen ist und einen bestimmten Teil der Spannung an die zweite Wicklung legt,' und einer Aüsgangswicklung auf dem zweiten Kern, und einer Halterung für die beiden Kerne zum Eintauchen in eine leitende Flüssigkeit, deren Leitfähigkeit gemessen werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gleichrichter (15) zur Gleichrichtung der induzierten Spannung in der Ausgangswicklung (4) vorgesehen ist, wobei gleichgerichtete Ausgangssignale positiver und negativer Polarität erzeugt werden, daß ferner ein Integrator (19)

Γ

zweite Schaltmittel (16,17,18) zur wahlweisen Anschaltung der positiven oder negativen gleichgerichteten Signale an den Integrator und eine Vergleichs vorrichtung (20) zum Vergleich des Ausgangs des Integrators mit einem-Null-Potential vorgesehen sind, sowie ein Pulszähler (23)„ der vom Ausgang der Vergleichs Vorrichtung gesteuert wird und dessen digitaler Ausga»" der Lei fähigkeit der Flüssigkeit entspricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch l_p dadurch gekennzeichnet _g das die ersten Schaltmittel (24,25,26*) wahlweise die Erregerwicklung (3) auf dem ersten Kern (1) und die Bezugswicklung (6) auf dem zweiten Kern (2) mit der Spannungsquelle (7) verbinden*
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2_g dadurch ^gekennzeichnet _r daß der Integrator (19) zuerst die Ausgangsspannung e« der Ausgangswicklung (4) öes zweiten Kerns bei eingeschalteter Erregerwicklung (3) des ersten Kerns wätaead einer Eeitspanne T_Q und anschließend die In iteer Polarität umgekehrte Ausgangsspannung e₂' der Ausgangswicklung des zweiten Kerns bei eingeschalteter Bezugswxcklung des ersten Kerns während der Zeitspanne T integriert, .bis die" Spannung den Mullt^ert erreicht hat»
4. Vorrichtung nach Anspruch 3> dadurch, gekeang©lehnet, daß der Vergleichsvorriciitung . (20| ein UND-Tor (22} Bachgeschaltet ist, von dem während der." Zeitspanne' T Impulse von einem Impulsgenerator (21) auf &®m impulssähler (23) dor-ctigsschaltefe werden.
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