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Verfahren und Vorrichtung zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit
von Flüssigkeiten Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der elektrischen
Leitfähigkeit von Flüssigkeiten durch Induktion einer Spannung in der Flüssigkeit
mittels einer Spule und durch Messung der von der Leitfähigkeit der Flüssigkeit
abhängigen Spannung einer Sekundär spule sowie eine Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens0 Die elektrische Leitfähigkeits-Messung dient in der chemischen
Meßtechnik vornehmlich dem Zweck, Aufschluß über die Zusammensetzung von Flüssigkeiten
zu geben. Zwei besonders charakteristische Anwendungsbereiche sind die Reinheitskontrolle
von Wasser und die Konzentrationsbestimmung von Säuren und Laugen, Zwischen der
gemessenen spezifischen Leitfähigkeit und der Konzentration besteht bei verdünnten
Lösungen ein linearer Zusammenhang. Bei höheren Konzentrationen gelten andere Beziehungen,
die durch Eichung mit Lösungen bekannter Zusammensetzungen berücksichtigt werden
können. In der Uberwachung und Steuerung moderner Wasser-Vollentsalzungs-Anlagen
hat die elektrische Leitfähigkeits-Messung heute eine ihrer wichtigsten technischen
Anwendungen gefunden, Legt man an die zu analysierende Flüssigkeit eine elektrische
Spannung, so fließt ein Strom, dessen Größe der angelegten Spannung proportional
ist.
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Die Proportionalitätskonstante heißt elektrische Leitfähigkeit und
ist der reziproke elektrische Widerstand. Der elektrische Widerstand
eines
beispielsweise metallischen Leiters ist von seinen Dimensionen und seiner Natur
abhängig, und zwar ist der Widerstand proportional zu seiner Länge und umgekehrt
proportional dem Querschnitt. Der Proportionalitätsfaktor ist der spezifische Widerstand
bzw. sein reziproker Wert, der als spezifische Leitfähigkeit bezeichnet wird.
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Diese Beziehung git auch für Elektrolyte0 Anstelle der Länge tritt
hier die Entfernung der Elektroden. Für den Querschnitt ist der Querschnitt der
Flüssigkeitssäule einzusetzen, der nicht unbedingt gleichzusetzen ist mit der Fläche
der Elektroden Die spezifische Leitfähigkeit von Elektrolyten ist als reziproker
Widerstand eines Kubikzentimeters der Lösung definiert und wird in der EinheitXSiemens
(S) gemessen In vielen Fällen wird auch die 10 3 mal kleinere Einheit Milli-Siemens
bzw. die 10 6 mal kleinere Einheit Mikro-Siemens verwendet.
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Die spezifische Leitfähigkeit ist abhängig von der Zahl der beweglichen
Ionen, sie steigt also mit zunehmender Konzentration. Trägt man die Leitfähigkeit
über der Konzentration auf, so beobachtet man zunächst einen der Konzentration proportionalen,
d.h. geradlinigen Anstieg. Gleichzeitig steigt aber auch die gegenseitige Behinderung
der Ionen, die eine Herabsetzung der Leitfähigkeit zur Folge hat. Bei einer bestimmten
Konzentration kompensieren sich beide Effekte;danach tritt trotz Erhöhung der Konzentration
eine Abnahme der Leitfähigkeit ein, da der Dissoziationsgrad abnimmt.
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Für die technische Leitfähigkeitsmessung nutzt man nur den ersten,
geradlinigen Teil der Kennlinie. Es ist daher notwendig, beim Einsatz der verschiedenen
Lösungen zu prüfen, ob die gewünschte Konzentration im linearen Teil der Kurve liegt.
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Ursprünglich wurde für die technische Leitfähigkeitsmessung ein Elektrodensystem
verwendet. Man legte über Elektroden eine Wechselspannung an eine Flüssigkeitssäule
mit definierten Dimensionen und maß den elektrischen Strom, der proportional der
spezifischen Leitfähigkeit ist. Hierbei ergaben sich als Nachteile eine Verfälschung
des Meßergebnisses durch Verschmutzung der Elektroden, eine Verfälschung
des
Meßergebnisses durch Polarisationseinflüsse an der Grenzschicht Elektrode/Flü.ssigkeit,
chemische Reaktionen der Meßelektroden mit der zu messenden Flüssigkeit und insgesamt
neben einer schlechten Genauigkeit hohe Wartungskosten.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile wurde das elektrodenlose System entwickelt,
welches nach dem Zwei-Transformator-Prinzip arbeitet.
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An eine von der Flüssigkeit isolierte Spule wird eine definierte Meß-Wechselspannung
gelegt. Diese Spannung hat in der Primärspule des ersten Transformators einen Induktionsstrom
zur Folge, der ein Magnetfeld erzeugt. Vernachlässigt man magnetische Streuflüsse,
so entsteht an der Sekundärspule des ersten Transformators, die als Flüssigkeitswindung
ausgebildet ist, eine Spannung, die proportional zum Windungszahlenverhältnis ist.
Die als Sekundärspule des ersten Transformators und als Primärspule des zweiten
Transformators dienende Flüssigkeitsschleife besitzt nur eine Windung.
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In dieser Flüssigkeitswindung fließt ein Strom infolge der induzierten
Spannung. Dieser Strom ist proportional zur elektrischen Leitfähigkeit in der Flüssigkeitswindung
und der angelegten Meß-Wechselspannung und hat im zweiten Transformator ein Magnetfeld
zur Folge, Dieses Magnetfeld erzeugt im zweiten Transformator eine Sekundärspannung,
die als Maß für die Leitfähigkeit der in der Flüssigkeitswindung befindlichen Lösung
verwendet wird. Mit diesem elektrodenlosen Zwei-Transformatoren-System entfallen
die Nachteile des zuerst geschilderten Elektrodensystems. Durch die niedrige Sekundärspannung
ist die Messung allerdings nur für höhere und mittlere Leitfähigkeiten möglich und
zu kleinen Leitfähigkeiten hin begrenzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend vom bekannten
Zwei-Transformatoren-Prinzip ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der
elektrischen Leitfähigkeit von Flüssigkeiten zu schaffen, welche mit höchster Genauigkeit
auch bei Flüssigkeiten mit sehr geringen Leitfähigkeiten angewendet werden können
Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch
gekennzeichnet, daß die Sekundärspule mit einem Kondensator einen Schwingkreis bildet,
dessen Resonanzfrequenz auf die
Frequenz der an die Primärspule
angelegten Meßspannung abgestimmt wird.
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Mit diesem Vorschlag der Erfindung wird erreicht, daß die insbesondere
bei geringen Leitfähigkeiten der Flüssigkeit sehr geringe Sekundärspannung infolge
der Resonanz im Schwingkreis erheblich vergrößert wird, so daß nunmehr auch Flüssigkeiten
mit geringster Leitfähigkeit einer zuverlässigen Messung unterworfen werden können.
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Wenn gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung in den Schwingkreis
ein Verlustwiderstand eingeschaltet wird, ergibt sich eine Verbreiterung der Resonanzkurve,
so daß Meßfehler vermieden werden, die auftreten könnten, wenn bei den normalerweise
schmalen Resonanzkurven geringfügige Abweichungen von der Resonanzfrequenz auftreten.
Diese hätten bei einer schmal ausgebildeten Resonenzkurve den Nachteil einer erheblichen
Verfälschung des Meßwertes, die bei einer erfindungsgemäßen Verbreiterung der Resonanzkurve
ausgeschaltet wird,weil hierbei die seitlich neben dem Höchstwert liegenden Werte
sich vom Höchstwert nur geringfügig unterscheidenT Mit der Erfindung wird weiterhin
vorgeschlagen, den Temperatureinfluß auf die Leitfähigkeit durch eine temperaturabhängige
Veränderung der angelegten Meßspannung zu kompensieren. Es ist deshalb beim erfindungsgemäßen
Verfahren nicht erforderlich, die einer Messung zu unterwerfenden Flüssigkeiten
entweder stets auf derselben,gleichbleibenden Temperatur zu halten oder auf einen
vorgegebenen Temperaturwert umzurechnen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besitzt
in übereinstimmung mit dem bekannten Stand der Technik in die Flüssigkeit eingetauchte
Primär- und Sekundärspule, an welche ein Spannungsmeßgerät angeschlossen ist. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der die Sekundärspule
enthaltende Sekundärstromkreis durch einen Kondensator als Schwingkreis ausgebildet
ist Dieser mit einfachsten technischen Mitteln aufgebaute Schwingkreis
ergibt
die für die Messung geringster Leitfähigkeiten erforderliche Vergrößerung der Meßwerte
der Sekundärspannung, wobei es lediglich erforderlich ist, die Resonanzfrequenz
dieses Schwingkreises auf die Frequenz der Meßspannung abzustimmen, welche an die
Primärspule des ersten Transformators angelegt ist. Dies kann bei einer konkieten
Vorrichtung ohne Schwierigkeiten durch die Wahl bestimmter Bauelemente vorgenommen
werden0 Bei einer erfindungsgemäßen Ausbildung der Vorrichtung sind die Primärspule
und die Sekundärspule zu allen Seiten kapazitiv, beispielsweise durch Aluminiumblech,
und gegeneinander zusätzich induktiv beispielsweise durch Mu-Metall, abgeschirmt
und in einer in die Flüssigkeit eintauchbaren Sonde angeordnet. Hierdurch ergibt
sich der Vorteil, daß nicht die Flüssigkeit in ein kompliziertes Meßgerät eingefüllt
werden muß, sondern daß die Messung auf einfache vorliegende Meßvorrichtung in die
Flüssigkeit eingetaucht wird, deren elektrische Leitfähigkeit gemessen werden soll,
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Primär- und Sekundärspule koaxial
und unmittelbar nebeneinander in einem zylindrischen Gehäuse angeordnet, welches
mit einer Bohrung für den Flüssigkeitsdurchtritt versehen ist. Hierdurch ergibt
sich eine besonders raumspende Anordnung, die dadurch noch verbessert werden kann,
daß die Primär- und Sekundärspule koaxial zur Längsachse des zylindrischen Gehäuses
angeordnet sind und die Bohrung als in einer von der Stirnfläche ausgehenden zentrischen
Bohrung mündende Querbohrung unmittelbar neben der oberen Spule ausgebildet ist.
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Um ungünstige elektrische Eigenschaften, wie Störungsstreuungen kapazitiver
oder induktiver Art, Kabelkapazitäten, Leitungswiderstand für den Schwingkreis,
klein zu halten, ist gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung auch der Kondensator
in der Sonde angeordnet. Schließlich ist in der Sonde im Bereich der Bohrung ein
Temperaturfühler angeordnet, der über eine elektronische Verstelleii-titung mit
einem Generator zur Erzeugung der Meßspannung verbunden ist0 Auf diese Weise ergibt
sich bei geringstem Bauaufwand eine einfache Möglichkeit zur
Kompensierung
des Temperatureinflusses auf die Leitfähigkeit, indem der vom Temperaturfühler gemessene
Wert einem Generator mitgeteilt wird, der zur Erzeugung der Meßspannung dient.
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Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung dargestellt, und zwar zeigen: Fig. 1 eine Prinzipskizze zur Erläuterung
des erfindungsgemäßen Verfahrens und Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch ein
Ausführungsdispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die Prinzipskizze in Fig.1 zeigt eine Primärspule 1, an welche mittels
eines Generators 2 eine Meßspannung angelegt wird0 Da der Kern 1A der Primärspule
1 einen Flüssigkeitsring 3 umgibt, induziert die Meßspannung der Primärspule 1 in
der Flüssigkeitswindung eine Sekundärspannung.
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Diese Spannung hat in einer Sekundärspule 4 eine induzierte Spannung
zur Folge, die von der elektrischen Leitfähigkeit der Flüssigkeit abhängig ist.
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Um unmittelbare Auswirkungen der Primär spule 1 auf die Sekundärspule
4 auszuschließen, befindet sich zwischen diesen beiden Spulen eine Abschirmung 5.
Der die Sekundärspule 4 enthaltende Sekundärstromkreis ist durch einen Kondensator
6 als Schwingkreis ausgebildet, wobei die Schwingkreisdämpfung durch den Widerstand
6 A malisiert wird. Die entstehende Meßspannung wird schließlich mit einem Instrument
7 zur Anzeige gebracht. Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises ist auf die Frequenzder
an die Primärspule 1 angelegten Meßspannung abgestimmt, die vom Generator 2 erzeugt
wird.
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Durch die Ausbildung des Sekundärstromkreises als Schwingkreis und
durch die Abstimmung dessen Resonanzfrequenz auf die Frequenz der Meßspannung wird
am Anzeigegerät 7 ein Wert für die elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit angezeigt,
der um Vielfaches größer ist als die in der Sekundär spule 4 induzierte Spannung
ohne Resonanzabstimmung0 Auf diese Weise lassen sich auch Flüssigkeiten mit geringsten
elektrischen Leitfähigkeiten exakt messen,
In Fig. 2 ist - wiederum
schematisch - ein Ausführungsbeispiel der Meßvorrichtung dargestellt. Die Meßvorrichtung
ist in der Art einer Sonde ausgebildet und wird in ein Durhflußgefäß 8 eingetaucht,
durch welches die zu messende Flüssigkeit im Sinne der eingezeichneten Pfeile strömt.
Sowohl die Primärspule 1 als auch die Sekundärspule 4 sind in einem Sondenkörper
9 angeordnet, der in das Durchflußgefäß 8 eingesetzt ist. Primärspule 1 und Sekundärspule
4 sind koaxial zur Längsachse des etwa zylindrischen Sondenkörpers 9 unmittelbar
nebeneinander angeordnet0 Sie sind zu allen Seiten kapazitiv, beispielsweise durch
Aluminiumblech, abgeschirmt.
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Gegeneinander sind die Primärspule 1 und die Sekundärspule 4 zusätzlih
induktiv abgeschirmt, beispielsweise durch Mu-MetallO Die kapazitive Abschirmung
ist in Fig.2 mit der Bezugsziffer 10 und die induktive Abschirmung mit der Bezugsziffer
11 bezeichnet0 Im Bereich der Primärspule 1 und Sekundärspule 4 ist im Sondenkörper
9 eine zentrische Bohrung 12 ausgebidet, die von der unteren Stirnfläche des Sondenkörpers
9 ausgeht, Um die Flüssigkeitswindung zu schlies sen, besitzt der Sondenkörper 9
weiterhin eine Querbohrung 13, die oberhalb der Primärspule 1 verläuft, In Fig.
2 ist weiterhin schematisch der Generator 2 zur Erzeugung der Meßspannung angedeutet0
Dieser Generator 2 liegt ebenso außerhalb des Sondenkörpers 9 wie das Anzeigegerät
7. Um ungünstige elektrische Eigenschaften, wie Störungsstreuungen, Kabelkapazitäten,
Leitungswiderstände in dem als Schwingkreis ausgebildeten Sekundärstromkreis gering
zu halten, ist gemäß Fig.2 der Kondensator 6 innerhalb des Sondenkörpers 9 angeordnet.
Der Sondenkörper 9 enthält weiterhin den Dämpfungswiderstand 6 A und einen Temperaturfühler
14, der über eine nicht dargestellte elektronische Verstelleinrichtung mit dem Generator
2 zur Erzeugung der Meßspannung verbunden ist. Auf diese Weise kann der Temperatureinfluß
auf die elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit durch eine temperaturabhängige
Veränderung der angelegten Meßspannung kompensiert werden.