DE2447826A1

DE2447826A1 - Oszillator-schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE2447826A1
Application number: DE19742447826
Authority: DE
Inventors: Lawrence C Murdock
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1973-10-09
Filing date: 1974-10-08
Publication date: 1975-04-10
Also published as: JPS5067060A; US3906353A; FR2247021A1; GB1454486A; CA1006919A

Description

DIPL.-ING. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

Düsseldorf, 01.10.1974 74142

Westinghouse Electric Corporation,
Pittsburgh, Pennsylvania, V.St.A.

Oszillator-Schaltungsanordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Oszillator-Schaltungsanordnung, deren Frequenz durch eine elektrische Meßgröße veränderbar ist, insbesondere durch den relativen Widerstand eines Leitfähigkeits-Meßfühlers.

Sowohl militärische als auch wissenschaftliche Hochseeschiffe führen auf See routinemäßig Messungen der Temperaturverteilung in der Wassersäule unter dem Schiff mit Hilfe eines sogenannten Bathythermographen aus. Die bei diesen Messungen erhaltenen Daten dienen zur Bestimmung des Profils der Thermocline, d.h. der Grenze zwischen der vermischten oberen Wasserschicht und der ruhenden unteren Wasserschicht mit kälterem Wasser. Die Kenntnis des Profils der Thermocline ist für die Bestimmung der Meeresströmungen, für die Ermittlung günstiger Fischplätze und für die Vorhersage der Ausbreitungsbedingungen bei der Unterwasserortung (Sonar) von Bedeutung.

Aus taktischen oder wirtschaftlichen Gründen ist es häufig unerwünscht, zur Durchführung dieser Messungen anzuhalten oder die Fahrt zu verlangsamen. Es wurde daher eine Meßsonde entwickelt, die in voller Fahrt über eine Schiffseite hinweg abgelasserijwerden kann und eine Draht spule enthält, die mit vor-

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Telefon (0211) 320858 Telegramme Custopat

bestimmter konstanter Geschwindigkeit abgewickelt wird. Eine zweite Drahtspule an Bord des Schiffes wird dann entsprechend den Schiffsbewegungen abgewickelt. Eine solche Meßsonde ist in der US-PS 3 221 556 beschrieben.

Aus dem Profil der Thermocline können zwar recht brauchbare Schlüsse gezogen werden, doch hat sich herausgestellt, daß sehr viel genauere Bestimmungen der Sonar-Ausbreitung, der Meeresströmungen und der Fischwanderung durchgeführt werden können, wenn die Salzhaltigkeit des Wassers bekannt ist.

Die Salzhaltigkeit ist ein Maß für den Salzgehalt des Wassers, meist des Meerwassers, und eine komplizierte Funktion der Temperatur, der Leitfähigkeit und des Druckes der Meerwasserprobe. Sie kann dadurch bestimmt werden, daß der Meßsonde ein Leitfähigkeits-Meßfühler beigegeben wird und die unabhängigen veränderlichen Temperatur und Leitfähigkeit gemessen und mit Hilfe eines Analog- bzw. Digitalrechners zusammen mit einem Maß für den Druck miteinander verknüpft werden. Um die Salzhaltigkeit auf 0,l%o genau bestimmen zu können, müssen die Temperatur auf 0,05⁰C und die Leitfähigkeit auf 0,05 mS genau gemessen werden, was eine Meßgenauigkeit von 0,1% erfordert. Ein Meßgerät wäre sehr wünschenswert, das so robust ist, daß es den harten Arbeitsbedingungen auf See lange Zeit gerecht wird, und die erforderliche Genauigkeit für die Salzhaltigkeit mit Hilfe von Baugruppen erreicht, an welche weniger strenge Genauigkeitsanforderungen gestellt werden müssen.

Weiterhin liegen Leitfähigkeitsmessungen ihrer Natur nach fast augenblicklich vor, während Temperaturmessungen von sich aus eine Zeitverzögerung aufweisen, die von dem verwendeten Meßfühler- meist einem Thermistor - abhängt. Ein solches Verfahren, bei welchem Temperatur- und Leitfähigkeitsmessungen dazu verwendet werden, um die Salzhaltigkeit zu berechnen^ kann daher in Gewässern mit hohem thermischen Gradienten nicht mit zufriedenstellender Genauigkeit angewendet werden.

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Es ist nun ein Meßgerät vorgeschlagen worden, welches zwei Leitfähigkeits-Meßfühler verwendet, einen für die Bestimmung der Leitfähigkeit einer Umgebungswasserprobe und einen für die Bestimmung der Leitfähigkeit einer Normalprobe mit Wasser bekannter Salzhaltigkeit. Gemäß internationaler Abmachung ist das Verhältnis des Leitfähigkeits-Meßwertes der beiden Meßfühler ein Maß für die Salzhaltigkeit. Es wird ein dem Verhältnis der Leitfähigkeiten proportionales Ausgangssignal erzielt, das über relativ weite Strecken fernübertragen werden muß, beispielsweise über die erwähnte Drahtverbindung.

Eine bloße übertragung des dem Verhältnis der Leitfähigkeiten proportionalen Ausgangssignales über die Drahtverbindung bringt jedoch erhebliche Ungenauigkeiten mit sich, weil das Signal auf dem langen Weg über die Drahtverbindung zu einer Aufzeichnungs- oder Datenverarbeitungseinrichtung stark gedämpft werden kann. Lösungen des Problemes unter Verwendung von Wienbrückenoder a^spannungsgesteuerten Oszillatoren, die durch ein solches Ausgangssignal beeinflußt werden, weisen nicht die erforderliche Einfachheit, Langzeitstabilität und Unabhängigkeit von Schwankungen der Stromversorgung oder der Umgebungstemperatur auf.

Der Erfindung liegt nun demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Oszillator-Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die es gestattet, in einfacher und kostensparender Weise über lange Zeiträume hinweg stabil und unabhängig von Spannungs- und Temperaturschwankungen ein Signal über relativ weite Strecken zu übertragen.

Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch eine erste Schaltungseinheit, die ein der elektrischen Meßgröße entsprechendes erstes Ausgangssignal liefert, durch eine zweite Schaltungseinheit, die ein sich linear mit der Zeit veränderndes zweites Ausgangssignal abgibt, durch einen Ausgangsverstärker mit zwei Eingängen, dessen Ausgangssignal abhängig von der relativen Größe der Signale an seinen beiden Eingängen zwischen

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zwei Extremwerten umschaltet, und dadurch, daß die beiden Eingänge des Ausgangsverstärkers jeweils mit den Ausgängen der beiden Schaltungseinheiten verbunden sind.

Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Oszillatorfrequenz weder bei ihrer Erzeugung noch bei der Signalübertragung nennenswerten Störungen unterliegt. Im vorliegenden Falle ist die elektrische Meßgröße ein Leitfähigkeitsverhältnis. Durch Kombination mit dem sich zeitlinear verändernden zweiten Ausgangssignal erzeugt der Ausgangsverstärker ein Ausgangssignal, dessen Frequenz bzw. Schwingungsdauer der Meßgröße unmittelbar proportional und von der Versorgungsspannung unabhängig ist. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird das Ausgangssignal zurückgeführt, um den beiden Schaltungseinheiten als Eingangssignal zu dienen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind aus den Unteransprüchen ersichtlich. Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert, wobei sich weitere Merkmale, Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer ozeanographischen Meßsonde ,

Fig. 2 eine auseinandergezogene und teilweise weggebrochen dargestellte perspektivische Ansicht der Meßsonde nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt durch die Meßsonde nach Fig. 1,

Fig. 4 eine teilweise weggebrochen dargestellte perspektivische Ansicht eines ersten Leitfähigkeits-Meßfühlers der Meßsonde,

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Fig. 5 eine teilweise weggebrochen dargestellte perspektivische Ansicht eines zweiten Leitfähigkeits-Meßfühlers der Meßsonde,

Fig. 6 ein elektrisches Schaltbild für die Meßfühler nach den Fig. 4 und 5,

Fig. 7 ein elektrisches Schaltbild der Schaltungsanordnung nach der Erfindung,

Fig. 7A und 7B

Kurvenformdarstellungen von Signalen in der Anordnung nach Fig. 7,

Fig. C ein Schaubild der Oszillatorfrequenz der Anordnung nach Fig. 7 in Abhängigkeit von dem Leitfähigkeitsverhältnis und

Fig. 8 eine Darstellung der Verbindung zwischen der Meßsonde und einer fernen Auswertestelle.

Obwohl die vorliegende Erfindung im folgenden anhand eines ozeanographischen Meßgerätes beschrieben wird, kann sie ersichtlich bei einer Reihe von Fällen Anwendung finden, wo eine elektrische Meßgröße in linearer Abhängigkeit in die Frequenz bzw. Schwingungsdäuer eines Oszillators umgesetzt werden soll.

Die ozeanographische Meßsonde 10 nach Fig. 1 weist ein Vorderteil 11 und ein Hinterteil 12 auf, die zusammen einen hydrodynamischen Körper bilden, der durch die Wassersäule unterhalb eines Schiffes durchfallen gelassen wird. Infolge ihrer hydrodynamischen Form, ihres Ballastes und ihrer Trimmung sinkt die Meßsonde 10 mit ihrem Vorderteil voraus mit konstanter Sinkgeschwindigkeit durch die Wassersäule.

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Die auseinandergezogene und teilweise weggebrochene Darstellung nach Fig. 2 zeigt das Vorderteil 11 in seinen Einzelheiten. Es enthält einen Körper 15, der eine große Höhlung 17 für die Aufnahme einiger Bauteile aufweist. In den Körper 15 können Ballastgewichte eingegossen sein oder der Körper 15 kann selbst als Ballast ausgebildet und aus Kunststoff oder Metall gegossen sein. Als erster Leitfähigkeits-Meßfühler für die Bestimmung der Leitfähigkeit des Umgebungswassers dient eine Meßzelle 19. Die Meßzelle 19, die anhand von Fig. 4 näher erläutert wird, befindet sich in einer elektrisch isolierenden Hülse 20, die an einem Ende eine öffnung 21 aufweist und in einem Haupt-Strömungskanal 24 angeordnet ist, so daß das Wasser, dessen Leitfähigkeit gemessen werden soll, durch den Strömungskanal 24 und sodann durch die öffnung 21 in der Hülse 20 und den mittleren Teil der Meßzelle 19 fließt, wenn die Meßsonde 10 durch die Wassersäule sinkt.

Zusätzlich zu der Meßzelle 19 ist ein zweiter Leitfähigkeits-Meßfühler in Form einer Vergleichszelle 26 vorgesehen, die anhand von Fig. 5 näher erläutert wird. Die Vergleichszelle 26 liefert ein Maß für die Leitfähigkeit einer Normalprobe mit Seewasser bekannter Salzhaltigkeit. Die Vergleichszelle 26 ist in unmittelbarer Nachbarschaft zu der Meßzelle 19 angeordnet, so daß beide Leitfähigkeitsmessungen bei im wesentlichen der gleichen Wassertemperatur durchgeführt werden.

Die Vergleichszelle 26 hat eine axiale Durchflußöffnung 27, die genau in Fortsetzung der axialen Durchflußöffnung in der Meßzelle 19 verläuft. Um die Wasserströmung durch und um die Vergleichszelle 26 zu erhöhen, ist eine Anzahl Hilfs^-Strömungskanale 30 vorgesehen, in denen das Wasser an der Meßzelle 19 vorbeifließt, aber wegen der Hülse 20 diese nicht berührt. Das Wasser fließt dann durch eine Anzahl öffnungen 32 in einem scheibenförmigen Abschlußteil 33 der Hülse 20, welcher in eine passende Vertiefung 34 eingreift, wenn die Meßzelle 19 in den

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Körper 15 eingeschoben wird.

Für die Vergleichszeile 26 ist eine Halterung im Verlaufe des Strömungskanales 24 vorgesehen. Hierzu dient ein Gehäuse 37, das ein zylindrisches Mittelteil 39 mit einer Anzahl Längsschlitze 40 besitzt, in welche Vorsprünge 42 der Vergleichszelle 26 eingreifen, um diese in ihrer Lage zu fixieren. In dieser Anordnung fließt das in dem Vorderteil 11 durch den Hauptströmungskanal 24 und die Hilfs-Strömungskanäle 30 eintretende Wasser durch die Vergleichszelle 26 hindurch und um sie herum.

Der Deutlichkeit halber ist die Halterung für die Vergleichszelle 26 als ein getrenntes Gehäuse dargestellt, doch ist es auch möglich, diese Halterung einstückig mit dem Körper 15 auszubilden.

Um den zylindrischen Mittelteil 39 herum befindet sich eine Ringöffnung 44, welche einen elektronischen Teil 45 aufnimmt. Der elektronische Teil 45 besitzt eine Anzahl elektrischer Bauelemente 47, die auf einer Druckschaltungsplatte 48 angeordnet sind, welche eine solche Größe und Form aufweist, daß sie leicht in die Ringöffnung 44 hineingeschoben werden kann. Diese Anordnung kann mannigfaltig ausgestaltet werden, zum Beispiel können die elektronischen Bauelemente in Form eines Zylinderringes vergossen sein, der dann in die Ringöffnung 44 hineingeschoben wird, oder die elektronischen Bauelemente können innerhalb der Ringöffnung 44 vergossen werden.

Die dargestellte Anordnung vermeidet die Notwendigkeit einer Temperaturmessung für die Bestimmung der Salzhaltigkeit. Es ist dennoch häufig wünschenswert, eine Angabe über das Temperaturprofil zu erzielen, wenn die Meßsonde durch die Wassersäule sinkt. Hierfür kann ein Temperaturmeßinstrument vorgesehen werden, beispielsweise ein Thermistor 50, der so in dem Vorderteil 11 der Meßsonde 10 angeordnet ist, daß er von dem Umgebungswasser umspült wird.

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Von dem Hinterteil 12 ist ein kleiner Teil dargestellt. Sein Inneres weist eine Anzahl Rillen und Vorsprünge 52 auf, die mit Rillen und Vorsprüngen 54 in dem Körper 15 zusammenwirken, um einen durch Zusammendrücken verriegelnden Verschluß zu bilden.

Fig. 3 stellt die Bauteile der Fig. 2 in zusammengesetztem Zustand dar, fertig zum Versenken der Meßsonde in der Wassersäule. In dem Teilquerschnitt ist ein Hilfs-Strömungskanal 30 zu sehen, der an einer Mündung des Gehäuses 37 endet, wo dieses geneigte Seitenwände 57 besitzt, welche das einströmende Wasser der Vergleichszelle 26 zuleitet.

In dem Hinterteil 12 ist eine Drahtspulenanordnung 59 untergebracht, deren Draht durch eine öffnung 60 am Ende des Hinterteiles 12 abgewickelt wird. Eine solche Anordnung ist bekannt und beispielsweise in der erwähnten US-PS 3 221 556 beschrieben.

Fig. 4 ist eine teilweise weggebrochene Detailansicht der Meß- zelleyl 19. Die Meßzelle 19 weist eine Anzahl Elektroden 67, 68 und 69 auf, die durch isolierende Abstandshalter 70 und 71 voneinander getrennt sind. Beim Betrieb fließt das Seewasser durch eine Mittelbohrung 74 durch die Meßzelle 19, so daß diese ständig durchspült wird, wenn die Meßsonde absinkt, wodurch ständig neue Flüssigkeit aus der jeweiligen Wassertiefe mit den Elektroden 67, 68 und 69 in Kontakt kommt. Um irgendwelche Nebenschlüsse zwischen den Elektroden zu verhindern, welche bei Meßzellen mit zwei Elektroden erhebliche Meßfehler verursachen, besitzt die Meßzelle 19 drei Elektroden, von denen die beiden äußeren Elektroden 67 und 69 elektrisch miteinander verbunden und an einen Anschluß 79 angeschlossen sind, während die mittlere Elektrode 68 mit einem Anschluß 80verbunden ist.

Der Widerstand R zwischen den Anschlüssen 79 und 80 ergibt sich

^-Kk

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wobei L der Abstand zwischen den Mitten der Elektroden 67 und 68 (bzw. 68 und 69, da diese Abstände gleich sind). A die

f Ji.

Querschnittsfläche der Mittelbohrung 74, durch welche das Wasser fließt
Meßzelle ist.

Wasser fließt, und <o die Leitfähigkeit des Wassers in der

Ji

Da L und A und damit auch ihr Verhältnis konstant sind, ver-

X X

einfacht sich die Gleichung (1) zu

worin K eine Zellenkonstante gleich χ/ χ ist.

Während des Betriebes füllt das Wasser ständig die Mittelbohrung 74 der Meßzelle^ 19 aus und es ist erwünscht, den Kontakt des Wassers mit der Außenseite der Meßzelle^ 19 so gering wie möglich zu machen, weil dieser unerwünschte Schwankungen verursachen würde. Zu diesem Zwecke ist die in Fig. 2 dargestellte Hülse 20 vorgesehen. Eine andere Möglichkeit hierfür besteht darin, die Elektroden 67, 68 und 69 unmittelbar in den Körper 15 des Vorderteiles 11 einzugießen, sofern dieser aus Isoliermaterial besteht, und eine axiale Durchflußöffnung durch die Elektroden vorzusehen.

Das Prinzip für die Messung des LeitfähigkeitsVerhältnisses besteht darin, daß eine Normalprobe mit Seewasser bekannter Salzhaltigkeit mitgeführt wird und die Temperatur der Normalprobe auf im wesentlichen der gleichen Temperatur gehalten wird wie das umgebende Wasser. Die in Fig. 5 teilweise weggebrochen dargestellte Vergleichszelle 26 vermag hierzu zu dienen. Die Vergleichszelle 26 enthält zwei konzentrische dünnwandige Zylinder 83 und 84, die durch einen dünnen Film 85 aus Seewasser bekannter Salzhaltigkeit voneinander getrennt sind, beispielsweise einer Salzhaltigkeit von 35%o. Die Zylinder 83 und 84 bestehen aus einem Material mit hoher thermischer und niedriger elektri-

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-ΙΟ-

scher Leitfähigkeit sowie guten mechanischen Eigenschaften, beispielsweise aus Aluminiumoxid hoher Reinheit.

An beiden Enden der Vergleichszelle 26 sind Elektroden 88 und angeordnet, die mit dem zylindrischen dünnen Film 85 in Kontakt stehen und mit Anschlüssen 92 und 93 verbunden sind. Der Widerstand R zwischen den Anschlüssen 92 und 93 ergibt sich zu:

worin L der Abstand der Elektroden 92 und 93, A die Quer-

S S

Schnittsfläche des dünnen Filmes 85 aus Seewasser und 6" die Leitfähigkeit des Normal-Seewassers ist. Mit einer Zellenkonstante K_ gleich L /A„ vereinfacht sich die Gleichung (3) zu

S SS

i K₃ ,4,

Eine flexible Dichtung 96 dient dazu, den Druck des Normal-Seewassers zwischen den Zylindern 83 und 84 an den Außendruck anzupassen.

Durch ihren Aufbau hat die Vergleichszelle 26 eine außerordentlich kurze Zeitkonstante, so daß der dünne Seewasserfilm 85 schnell auf die Temperatur des umgebenden Seewassers gebracht wird. Hierdurch kann das Leitfähigkeitsverhältnis aus Leitfähigkeiten bestimmt werden, die bei im wesentlichen der gleichen Temperatur gemessen worden sind, wie es die internationale Abmachung erfordert. Bei der Vergleichszelle 26 bleibt die Salzhaltigkeit des dünnen Seewasserfilmes 85 konstant, doch ändert sich seine Leitfähigkeit mit der Temperatur, beispielsweise in einem vorgegebenen Temperaturbereich zwischen 0,0275 mS/cm und 0,063 mS/cm. Da beide Zellen jedoch im wesentlichen die gleiche Temperatur aufweisen, ändert sich ihr Leitfähigkeitsverhältnis

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lediglich zwischen ungefähr 0,8710 (bei einer Salzhaltigkeit von 30%o) und 1,1261 (bei einer Salzhaltigkeit von 40%o).

Die beiden Zellen sind in einer elektrischen Schaltungsanordnung angeschlossen, welche ein Aasgangssignal liefert, das dem Verhältnis der Leitfähigkeiten des auf die Meßzellejrif 19 einwirkenden Umgebungswassers und des Normal-Seewassers in der Vergleichszelle 26 proportional ist. Eine solche Schaltungsanordnung ist in Fig. 6 dargestellt.

In Fig. 6 ist ein Operationsverstärker 100 hoher Verstärkung mit einem nicht-invertierenden oder positiven Eingang 101 und einem invertierenden oder negativen Eingang 102 sowie einem Ausgang 103 gezeigt. Die Meßzelle 19 ist zwischen einer Wechsel-Spannungsquelle e. und dem negativen Eingang 102 angeordnet und die Vergleichszelle 26 in einen RüXkopplungszweig zwischen dem Ausgang 103 und dem negativen Eingang 102 eingeschaltet. Der positive Eingang 101 ist mit einer Bezugsspannung verbunden, beispielsweise mit Masse.

Das Verhältnis der Ausgangsspannung e zu der Eingangsspannung e. ergibt sich zu:

worin R der Widerstand der Vergleichszelle 26, R„ der Widers χ

stand der Meßzelleji 19 und A die Schlei fen verstärkung des Operationsverstärkers 100 ist. Da der Operationsverstärker 100 einen sehr hohen Verstärkungsgrad von beispielsweise 10 000 auf weist, vereinfacht sich die Gleichung (5) zu:

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- 12 Durch Einsetzen der Gleichungen (1) und (2) ergibt sich

(7)

^Lx

oder mit den Zellenkonstanten:

Da sich die Zellenkonstanten nicht verändern, kann K /K durch eine andere Konstante K ersetzt werden, so daß

* ^ei^K

Die Gleichung (9) zeigt, daß das Ausgangssignal der Schaltung nach Fig. 6 proportional dem Verhältnis der Leitfähigkeiten und daher definitionsgemäß proportional der Salzhaltigkeit der gemessenen Wasserprobe ist, weil die Anordnung der Bauteile der Meßsonde derart ist, daß die Messungen bei im wesentlichen der gleichen Temperatur erfolgen. In Fig. 6 ist in dem Rückkopplungszweig zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Operationsverstärkers 100 die Vergleichszelle 26 dargestellt, doch können die Vergleichszelle 26 und die Meßzelle 19 auch ihren Platz wechseln, wofür dann das Ausgangssignal dem Leitfähigkeitsverhältnis 6~/ <S ist.

S X

Es wird somit ein Signal erzielt, das ein Maß für die Salzhaltigkeit der Wasserprobe darstellt und an eine ferne Auswerteeinrichtung weitergeleitet werden kann, beispielsweise an Bord

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des Schiffes, von dem die Meßsonde abgelassen wird, um auf rechnerischem Wege die tatsächliche Salzhaltigkeit bestimmen zu können. Eine Schaltung, welche dies erfindungsgemäß mit hoher Genauigkeit erreicht, ist in Fig. 7 dargestellt.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 7 enthält eine erste Schaltungseinheit 108, welche ein erstes Ausgangssignal liefert, das ein Maß für eine elektrische Meßgröße ist, im vorliegenden Falle für das Leitfähigkeitsverhältnis. Die erste Schaltungseinheit 108 entspricht weitgehend der Schaltung nach Fig. 6, es sind lediglich die beiden Leitfähigkeits-Meßzellen vertauscht worden. Die Meßzelle 19 besitzt hier den Widerstand R₁ und liegt in dem Rückkopplungszweig des Operationsverstärkers 100 und die Vergleichszelle 26 besitzt den Widerstand R₂ und liegt in einem Eingangszweig.

Eine zweite Schaltungseinheit 110 liefert ein zweites Signal, das sich linear mit der Zeit verändert. Sie enthält einen Operationsverstärker 112, der ähnlich aufgebaut ist wie der Operationsverstärker 100 und in einem Rückkopplungszweig einen Kondensator C und in einem Eingangszweig einen Widerstand R₃ enthält.

Weiterhin ist ein Ausgangsverstärker 115 vorgesehen , der zwei Eingänge 117 und 118 besitzt, von denen der Eingang 117 der negative oder invertierende Eingang und der Eingang 118 der positive oder nicht-invertierende Eingang ist. Die Stromversorgungsanschlüsse für den Ausgangsverstärker 115 sind als Anschlüsse an eine positive Spannungsquelle E und an eine negative Spannungsquelle E dargestellt. Der Ausgang des Ausgangsverstärkers 115 ist mit einem Ausgangsanschluß 120 angeschlossen und an die Eingänge der beiden Schaltungseinheiten 108 und 110 zurückgeführt.

Das Ausgangssignal e₂ der ersten Schaltungseinheit 108 ist in

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der beschriebenen Weise eine Spannung, die dem von den beiden Leitfähigkeits-Meßfühlern in seinem Eingangszweig bzw. seinem Rückkopplungszweig erhaltenen Leitfähigkeitsverhältnis proportional ist.

Für die Betrachtung der Arbeitsweise der zweiten Schaltungseinheit 110 braucht nur berücksichtigt zu werden, daß ein rückgekoppelter Operationsverstärker, wie der Operationsverstärker 112, danach trachtet, die Spannungen an seinen beiden Eingängen gleichzumachen. Wenn am Eingang des Widerstandes R₃ eine Rechteckwelle mit der Amplitude E liegt, ergibt sich:

E ■ iR₃ (10)

worin i der sowohl durch R₃ als auch durch C fließende Strom ist, Das Ausgangssignal e₃ des Operationsverstärkers 112 hat dann wegen der Natur des Operationsverstärkers folgenden Wert:

idt (11)

Da E eine Rechteckwelle und ihre Größe ein konstanter positiver oder negativer Wert ist, wird auch i konstant, so daß sich ergibt;

e₃ = - -i ■ t (12)

Gleichung 12 zeigt daher, daß das Ausgangssignal e₃ sich linear mit der Zeit verändert und wegen der Natur des Operationsverstärkers 112 negativ ist, wenn E positiv ist und umgekehrt. Die beschriebenen Operationsverstärker sind bekannt und im Handel wohlfeil erhältlich.

Das Ausgangssignal e·, des Operationsverstärkers 112 schaltet zwischen den Sättigungswerten E und E~ um, sobald die Eingangsspannungen des Ausgangsverstärkers 115 nahezu gleich sind. Bei

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einem üblichen kommerziell erhältlichen Operationsverstärker tritt das Umschalten auf, wenn die Spannungsdifferenz an seinen Eingängen den Bruchteil eines Millivolts beträgt. Das Ausgangssignal e, kann somit als Rechteckwelle betrachtet werden, die

+ —
zwischen den Werten E und E umschaltet. Diese Rechteckwelle wird nun an die beiden Schaltungseinheiten 108 und 110 zurückgeführt.

Fig. 7A stellt das Ausgangssignal e. dar, das zwischen den Zelten t und t, den Sättigungswert E und zwischen den Zeiten t, und t₂ den negativen Sättigungswert E~ aufweist. Die Zeitspanne zwischen t und t~ stellt dabei die Schwingungsdauer der Rechteckwelle dar. Da dieses Signal an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 100 angelegt wird, ist das Ausgangssignal e_ entgegengesetzt, was in Fig. 7B dargestellt ist.

Die Rechteckwelle e wird ebenfalls an den Eingang der zweiten Schaltungseinheit 110 angelegt, welcher ein sich linear mit der Zeit veränderndes Ausgangssignal e liefert, dessen Steigung durch R_3C bestimmt wird und dessen Polarität derjenigen des Eingangssignales entgegengesetzt ist. e-j ist in Fig. 7B gestrichelt eingezeichnet. Zwischen den Zeiten t und t, nähert sich das Signal e₃ dem Signal e₂ immer mehr an und erreicht diesen Wert zum Zeitpunkt t-,. Hierdurch wird der Ausgangsverstärker 115 in seinen entgegengesetzten Zustand umgeschaltet, wie aus Fig. 7A ersichtlich. Die nunmehr negative zurückgekoppelte Spannung läßt e_ seine Polarität und e₃ seine Richtung ändern, bis zum Zeitpunkt t₂, &₂ ^xmA ^e3 ^wieder gleich sind und dadurch den Ausgangsverstärker 115 wieder umschalten.

Wenn die positiven und negativen Versorgungsspannungen E einander gleich sind, ergibt sich die Schwingungsdauer T, mit der die Schaltung schwingt, zu

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4 R₇C ^Rl (13)

Die Größe R₁ZR₂ ^ist dabei dem Leitfähigkeitsverhältnis der Vergleichszelle und der Meßzelle proportional und da R₃ und C konstant sind, ist die Schwingungsdauer T diesem Leitfähigkeitsverhältnis unmittelbar proportional und von den Versorgungsspannungen unabhängig, solange die positiven und negativen Versorgungsspannungen einander gleich sind. Allerdings verursacht eine Schwankung des VersorgungsspannungsVerhältnisses von 6% lediglich eine Veränderung der Schwingungsdauer der Ausgangsfrequenz von weniger als 0,1%. Bei einer Mittenfrequenz von 1,15 kHz können R₃ und C 2,2 kOhm bzw. 0,1 juF aufweisen. R, der Meßzelle 19 kann zwischen 89 und 278 Ohm und R₂ der Vergleichszelle 26 zwischen 890 und 2780 Ohm abhängig von der Leitfähigkeit des Wassers und der Temperatur schwanken. Mit diesen Werten ergibt sich die in Fig. 7C dargestellte Abhängigkeit der Ausgangsfrequenz von dem Leitfähigkeitsverhältnis.

Das Ausgangssignal e, hat daher eine Schwingungsdauer bzw. Frequenz, die dem Leitfähigkeitsverhältnis unmittelbar proportional ist. Dieses Signal kann nun über die Drahtverbindung 59, wie in Fig. 8 dargestellt, an die Wasseroberfläche übertragen werden, wo es einer Auswerteeinrichtung 125 an Bord des Schiffes zugeführt wird, welche aus dem Signal durch Ausmessen seiner Schwingungsdauer bzw. Frequenz das Leitfähigkeitsverhältnis bestimmt. Dies kann von Hand mit Hilfe einer Umwandlungskurve nach Fig. 7C geschehen oder automatisch in einem Computer durch Tabellenaufruf oder aber durch unmittelbare Auswertung des Ausgangssignales. Das Leitfähigkeitsverhältnis an jedem Punkt der Wassersäule muß noch mit der Wassertiefe in Bezug gebracht werden, Dies kann wiederum durch einen Tiefenmesser, mit einem Druckwandler geschehen, der seine Meßwerte über die Drahtverbindung nach oben schickt, oder aber aus der Tatsache geschlossen werden kann, daß die Sinkgeschwindigkeit der Meßsonde konstant und be-

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kannt ist. Die Stromversorgung der Meßsonde 10 geschieht von einer Stromversorgungseinrichtung 127 über die gleiche Drahtverbindung 59, welche die Meßwerte nach oben an die Wasseroberfläche überträgt. Die Energieversorgung erfolgt dabei zweckmäßigerweise durch einen konstanten Gleichstrom, um den Einfluß des Drahtwiderstandes auszuschließen.

Patentansprüche;

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Claims

Patentansprüche :

1.' Oszillator-Schaltungsanordnung, deren Frequenz durch eine elektrische Meßgröße veränderbar ist, insbesondere durch den relativen Widerstand eines Leitfähigkeits-Meßfühlers, gekennzeichnet durch eine erste Schaltungseinheit (108), die ein der elektrischen Meßgröße entsprechendes erstes Ausgangssignal (e₂) liefert, durch eine zweite Schaltungseinheit (110), die ein sich linear mit der Zeit veränderndes zweites Ausgangssignal (eJ abgibt, durch einen Ausgangsverstärker (115) mit zwei Eingängen (117, 118), dessen Ausgangssignal (e.) abhängig von der relativen Größe der Signale an seinen beiden Eingängen (117, 118) zwischen zwei Extremwerten umschaltet, und dadurch, daß die beiden Eingänge (117, 118) das Ausgangsverstärkers (115) jeweils mit den Ausgängen der beiden Schaltungseinheiten (108, 110) verbunden sind (Fig. 7).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Ausgang (120) des Ausgangsverstärkers (115) mit den Eingängen der beiden Schaltungseinheiten (108, 110) verbunden ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die erste Schaltungseinheit (108) einen ersten Verstärker (100), einen ersten Leitfähigkeits-Meßfühler (19) zur Bestimmung der Leitfähigkeit einer Wasserprobe und einen zweiten Leitfähigkeits-Meßfühler

(26) zur Bestimmung der Leitfähigkeit einer Normalprobe aufweist und daß einer (19) der beiden Leitfähigkeits-Meßfühler (19, 26) in einem Rückkopplungszweig zwischen dem Ausgang (103) und dem Eingang (102) des ersten Verstärkers (100) und der andere (26) der beiden Leitfähigkeits-Meßfühler (19,26) in einem mit dem Eingang (102) des ersten Verstärkers (100) verbundenen Eingangszweig angeordnet ist. (Fig. 6)

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4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bris 3, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Schaltungseinheit (110) einen zweiten Verstärker (112) aufweist, der in einem Rückkopplungszweig zwischen seinem Ausgang und seinem Eingang einen Kondensator (C) und in einem mit seinem Eingang verbundenen Eingangszweig einen Widerstand (R₃) enthält, derart, daß das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers (112) linear veränderbar und seine Steilheit von den Werten des Kondensators (C) und des Widerstandes (R₃) bestimmt ist.

5. Verwendung einer Oszillator-Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche in einer ozeanographischen Meßsonde (10).

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