DE3934901C2 - Leitfähigkeitsdetektor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leitfähigkeitsdetektor mit einer Steuerschaltung, die geeignet ist, um Hintergrundrauschen mit hoher Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit während der Messung der Leitfä­ higkeit zu eliminieren.

Wie in der offengelegten japanischen Patentschrift 62-167456 (1987) gezeigt wird, hat der bestens bekannte Leitfähigkeitsdetektor zwei Arten von Korrekturverfahren zum Kompensieren von Hintergrundrauschen des Extraktionsmittels (elute). Ein Verfahren führt die Korrektur des Wech­ selstromsignals in der Eingangsstufe und das andere die Korrektur des Gleichstromsignals nach der Gleichrichterstufe aus. Beim Korrekturbetrieb wird die Gleichstromsignalkorrektur zuerst ausgeführt, und wenn der Hintergrundrauschpegel zu hoch ist, um eleminiert zu werden, wird die Wechselstromsignalkorrektur ausgeführt, bis der Rauschpegel niedrig genug ist, um von der Gleichstromsignalkorrektur eliminiert zu werden.

Aufgrund der Zeitverzögerung der Gleichrichterschaltung hat die bekannte Vorrichtung eine Zeitdifferenz zwischen dem Korrektursignal zum Elimi­ nieren des Hintergrundrauschens und eines Nulldetektionssignals zum Beurteilen, ob die Korrekturoperation beendet bzw. vollständig ist. Dem­ entsprechend erfordert es eine Menge Zeit, die Korrekturvorgänge zu wiederholen, bis das Hintergrundrauschen zu Null wird.

In der US-3,993,945 sind Meßzellen zum Messen der elektrischen Leitfä­ higkeit von Flüssigkeiten beschrieben. In diesen Meßzellen sind Elek­ troden einer koaxialen Form vorgesehen, wobei ein erstes Paar von Elektroden mit einer Stromquelle und ein zweites Paar von Elektroden mit einem Spannungsverstärker verbunden ist. Dabei wird der Strom der Stromquelle so gesteuert, daß der Spannungsabfall an dem zweiten Elektrodenpaar konstant bleibt. Es ist mindestens eine weitere Elektrode vorgesehen, die so mit den anderen Elektroden elektrisch verbunden sind, daß der Einfluß von Leckströmen auf die Leitfähigkeitsmessung verhin­ dert werden kann.

Aus der US-3,939,408 ist eine weitere Leitfähigkeitszelle bekannt, die durch eine Steuerschaltung angesteuert wird, wobei eine Referenzwechsel­ spannung von der Spannung über einem ersten Elektrodenpaar abgezogen wird. Die Differenzspannung wird einem Differenzverstärker eingegeben, dessen Ausgang auf die Spannung zwischen einem zweiten Elektroden­ paar derart einwirkt, daß die Übertragungsfunktion der Ansteuerschaltung eine lineare Funktion der Leitfähigkeit des Elektrolyten wiedergibt.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Leitfähig­ keitsdetektor anzugeben, der fähig ist, Hintergrundrauschen eines Ex­ traktionsmittels mit hoher Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit ohne den Einfluß der Zeitverzögerung der Gleichrichterschaltung zu eliminie­ ren.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden im folgenden aus der Beschreibung im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen aufgezeigt. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm einer Ausführungsform des Leitfähigkeits­ detektors entsprechend der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 Signalverläufe der Schaltungen in Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Vier Elektro­ den 2, 4, 6 und 8 sind in einer Leitfähigkeitsmeßzelle 10 angeordnet und ein Elektrolyt 11, von dem die Leitfähigkeit bestimmt werden soll, fließt durch die Zelle 10. Jede Elektrode ist durch einen vorgegebenen Abstand voneinan­ der getrennt und die Elektroden 4 und 6 sind zwischen den Elektroden 2 und 8 angeordnet. Ein variables Wechselspannungssignal wird der Elektrode 2 und der Elektrode 8 zugeführt, die mit Erde verbunden ist.

Eine variable Spannungszuführ- und Steuerschaltung 12 wird von einem Ausgangssignal eines Differenzverstärker 14 gesteuert, so daß die Spannung an den Elektroden 4 und 6 auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird. Der Ausgangsstrom I, der von der Elektrode 2 zu der Elektrode 8 durch den Elektrolyten 11 in der Leitfähigkeitsmeßzelle 10 fließt, wird durch eine Stromspannungswandlerschaltung 16 in eine Spannung E umgewandelt. Die Spannung E wird in eine Gleichspannung über eine synchrone Gleichrichter­ schaltung 18 und eine Glättungsschaltung 20 umgesetzt. Wenn die Spannung an den Elektroden 2 und 8 einen vorgegebenen Wert einhält, kann die Leitfähigkeit des Elektrolyten 11 alleine auf der Basis des Ausgangsstromes I berechnet werden. Der Ausgang der Gleichrichterschaltung 18 ist proportional zu der Leitfähigkeit des Elektrolyts 11 und die Leitfähigkeit kann direkt abgelesen werden.

Eine synchrone Signalschaltung 22 versorgt die synchrone Gleichrichterschal­ tung 18, eine Integrations-Intervall-Zeitsteuerschaltung 24 und eine Zähler­ auswahlschaltung 26 jeweils mit einem Referenztaktsignal. Ein Integrator 28 führt die Intervall-Integration des synchronen Gleichrichtsignals von der Gleichrichterschaltung 18 aus und ein Rücksetzschalter 30 setzt ein Aus­ gangssignal des Integrators 28 zurück. Ein Null-Detektionskomperator 32 entscheidet bzw. beurteilt, ob der Ausgang des Integrators 28 Null ist oder nicht. Eine Zählersteuerschaltung 34 wählt einen Incrementalbetrieb oder einen Decrementalbetrieb eines untergeordneten Zählers 36 und eines überge­ ordneten Zählers 38 aus. Ein Startsignal für die automatische Null-Einstellung bzw. Nachführung wird der Zählersteuerschaltung 34 zugeführt. Die Inte­ grations-Intervall-Zeitsteuerschaltung 24 steuert den Rücksetzschalter 30, um die Integrationszeit des Integrators 28 zu ändern.

Um das Null-Einstellsignal zum Auslöschen des Hintergrundrauschens des Extraktionsmittels zu erzeugen, sind zusätzlich zu den Zählern 36, 38 vor­ handen ein übergeordneter Digital/Anlogwandler 42, ein untergeordneter Digital/Anlogwandler 44, ein übergeordneter Verstärker 46, ein unterge­ ordneter Verstärker 48. Somit wird ein Wechselstromreferenzsignal mit einer Phase umgekehrt zu derjenigen des variablen Wechselstromsignals zum Korregieren des Hintergrundsignals einem Addierer 50 zugeführt.

Der Betrieb der Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung wird im nachfolgenden mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 erläutert. Wenn das Startsignal für die automatische Null-Einstellung die Zählersteuerschaltung 34 bei einer Hochgeschwindigkeitseinstellung ansteuert, integriert der Integrator 28 ein synchrones Gleichrichtersignal S2 (Fig. 2b) von der synchronen Gleichrichterschaltung 18 auf der Basis des Integrations-Intervall-Zeitsignals S1 (Fig. 2a). Das integrierte Signal S3 (Fig. 2c) wird einem Null-Detek­ tionskomperator 32 zugeführt. Die Zählersteuerschaltung 34 bestimmt die Zählrichtung, Incrementieren und Decrementieren des übergeordneten Zählers 38 und des untergeordneten Zählers 36. Wenn das Ausgangssignal S3 des Integrators 28 positiv ist, wählt die Zählersteuerschaltung 34 das Incremen­ tieren des Zählers aus, und im Gegensatz hierzu, wenn das Ausgangssignal S3 negativ ist, wählt die Steuerschaltung 34 das Decrementieren des Zählers aus. Das Incrementier/Decrementier-Signal S4 wird dem untergeordneten Zähler 36 oder dem übergeordneten Zähler 38 zugeführt. Die Zählperiodenzeit t (Fig. 2a) wird durch das Integrations-Intervall-Zeitsignal S1 von der Integrations-Intervall-Zeitsteuerschaltung 24 bestimmt. Bei einer Hochge­ schwindigkeitseinstellung ist nur der übergeordnete Zähler 38 im Zählbetrieb. Das digitale Ausgangssignal des übergeordneten Zählers 38 wird dem überge­ ordneten Digitalanalogwandler 42 zugeführt und als Ergebnis wird das Korrektursignal durch den übergeordneten Verstärker 46 erzeugt. Das Kor­ rektursignal wird dem Wechselstromsignal I durch den Addierer 50 hinzu­ addiert und das resultierende Signal wird dem Integrator 28 über die Strom­ spannungswandlerschaltung 16 und der synchronen Gleichrichterschaltung 18 zugeführt. Der Null-Detektionskomperator 32 detektiert, ob das Ausgangs­ signal S3 des Integrators 28 Null ist oder nicht.

Der oben angegebene Korrekturbetrieb wird solange fortgesetzt bis das Ausgangssignal des Komperators 32 auf Null reduziert ist. Um ein Über­ schießen bzw. Überlaufen der Zähler 36, 38 zu vermeiden, wird die Hochge­ schwindigkeits-Nulleinstellung angehalten bzw. gestoppt, immer wenn die Zahl des Null-Durchgangs von der positiven Richtung zur negativen Richtung des Signals S3 zwei wird.

Bei einer niedrigen bzw. langsamen Geschwindigkeitseinstellung wird der untergeordnete Zähler 36 ausgewählt und die Integrations-Intervall-Zeit wird für eine höhere Genauigkeit der Null-Detektion ausgedehnt.

Nach Beendigung des Hochgeschwindigkeitskorrekturbetriebs wählt die Zählerauswahlschaltung 26 entweder den Incrementbetrieb oder den De­ crementbetrieb des untergeordneten Zählers 36 in Antwort auf das Ausgangs­ signal der Steuerschaltung 24 aus. Das digitale Ausgangssignal des unterge­ ordneten Zählers 36 wird in ein untergeordnetes Korrektursignal umgesetzt, und zwar durch den untergeordneten Digital/Analogwandler 44 und den untergeordneten Verstärker 48. Sowohl das übergeordnete Korrektursignal als auch das untergeordnete Signal werden dem Addierer 50 als Wechsel­ stromreferenzsignal zugeführt. Der Null-Einstellbetrieb wird wiederholt, bis das Ausgangssignal des Integrators 28 zu Null wird.

Wie in Fig. 2e gezeigt wird, ist das Integrations-Intervall-Zeitsignal S1 sechszehnmal so lang, als das gleiche für den Hochgeschwindigkeitskorrektur­ betrieb. Das Ausgangssignal S3 des Integrators 28 ist in Fig. 2f gezeigt. Dementsprechend ist die Zählzeitperiode des untergeordneten Zählers 44 sechszehnmal so lang wie die bei dem Hochgeschwindigkeitskorrekturbetrieb.

Wenn der Null-Durchgang des Ausgangssignals vom Verstärker 28 von der positiven Richtung zur negativen Richtung des Signals S3 jeweils zweimal auftritt, ist der Niedergeschwindigkeitskorrekturbetrieb und die automatische Null-Einstellung beendet bzw. vervollständigt. Die Daten des untergeordneten Zählers 44 und des übergeordneten Zählers 42 werden beibehalten bis das nächste Auto-Null-Startsignal eingeht.

Nach der automatischen Null-Einstellung werden Änderungen des Wechsel­ stromsignals I durch die Stromspannungswandlerschaltung 16, die synchrone Gleichrichterschaltung 18 und die Glättungsschaltung 20 detektiert. Die Ausgangsgleichspannung zeigt die wirkliche Leitfähigkeit ohne das Hinter­ grundrauschsignal des Extraktionsmittels an.

Entsprechend der oben angegebenen Ausführungsform ist die Antwortver­ zögerungszeit auf eine Periode der Integrations-Intervall-Periode gekürzt und der Null-Einstellbetrieb wird kurz, da die Null-Detektion der Auto-Null- Korrekturschaltung durch das Integrations-Intervall des synchronen Gleich­ richtersignals durchgeführt wird.

Der übergeordnete Zähler 42 und der untergeordnete Zähler 44 werden eingesetzt, um das Null-Korrektursignal zu erzeugen und nur der überge­ ordnete Zähler 42 wird bei der Hochgeschwindigkeitskorrektur eingesetzt. Deshalb ist die Zeitdauer bzw. Periode zum Erreichen eines Zielwerts bzw. Sollwerts des Ausgangssignals des Integrators verkürzt.

Wegen der Abnahme der Integrations-Intervall-Zeit beim Null-Einstellen, erhält die Null-Detektion eine hohe Genauigkeit.

Claims (3)

1. Leitfähigkeitsdetektor für einen Elektrolyt, der aufweist:

• a) eine Zelle (10), durch die der Elektrolyt fließt;
• b) ein Paar von ersten Elektroden (2, 8), die in der Zelle (10) untergebracht und durch einen vorgegebenen Abstand vonein­ ander getrennt sind;
• c) eine Einrichtung (12) zum Zuführen eines variablen Wechsel­ spannungssignals zu dem ersten Elektrodenpaar (2, 8);
• d) ein Paar von zweiten Elektroden (4, 6), die zwischen den ersten Elektroden (2, 8) in der Zelle (10) angeordnet und durch einen vorgegebenen Abstand voneinander getrennt sind, zum Detek­ tieren des Spannungsabfalls an den zweiten Elektroden (4, 6), gekennzeichnet durch
• e) eine Einrichtung (14) zum Steuern der Ausgangsspannung der Einrichtung (12) zum Zuführen des variablen Wechselspannungs­ signals, um den Spannungsabfall an den zweiten Elektroden (4, 6) auf einem vorgegebenen Wert zu halten;
• f) eine Erzeugungseinrichtung (36-48) zum Erzeugen eines varia­ blen Wechselstromreferenzsignals mit umgekehrter Phase zu dem Wechselspannungssignal;
• g) eine Addiereinrichtung (50) zum Addieren des Ausgangswechsel­ stroms, der zwischen den ersten Elektroden (2, 8) fließt, zu dem Wechselstromreferenzsignal;
• h) eine Einrichtung (18, 28, 32) zum Bestimmen, ob das Ausgangs­ signal der Addiereinrichtung (50) zu Null wird oder nicht,
• i) wobei die Erzeugungseinrichtung (36-48) einen rangniedrigeren Zähler (36) und einen ranghöheren Zähler (38) aufweist, die jeweils einen rangniedrigeren D/A-Wandler (42) und einen ranghöheren D/A-Wandler (44) ansteuern, um das Wechsel­ stromreferenzsignal entsprechend den Zählwerten der Zähler (36, 38) zu erzeugen, und
• k) wobei die Zähler (36, 38) selektiv über eine Zählersteuerschal­ tung (34) inkrementiert oder dekrementiert werden, um das Ausgangssignal der Addiereinrichtung (50) abhängig von einer, durch eine Integrations-Intervall-Zeitsteuerschaltung (24) be­ stimmte Zählzeitperiode mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und unterschiedlicher Genauigkeit auf Null abgleichen zu kön­ nen.

2. Leitfähigkeitsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nullbestimmungseinrichtung (18, 28, 32) aufweist:

• - eine synchrone Gleichrichterschaltung (18) zum Gleichrichten des Ausgangssignals der Addiereinrichtung (50);
• - eine Intervall-Integrationsschaltung (28) zum Durchführen der Intervall-Integration des Ausgangssignals der synchronen Gleich­ richterschaltung (18); und
• - einen Komparator (32) zum Bestimmen, ob das Ausgangssignal der Intervall-Integrationsschaltung (28) Null ist oder nicht, wobei die Intervall-Integrationsschaltung (28) in Synchronismus mit dem Ausgangssignal der synchronen Gleichrichterschaltung (18) arbei­ tet.

3. Leitfähigkeitsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Intervall-Integrationsschaltung (28) eine Einrichtung (30) zum Ändern der Anzahl der Intervall-Integrationszyklen aufweist.