DE4001274A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zum dynamischen messen eines ohmschen widerstandes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum dynamischen Messen eines ohmschen Widerstandes, der in Reihe mit einem Bezugswiderstand und parallel zu einer Kapazität angeordnet ist, insbesondere zur Messung der Impedanz der Glaselektrode einer pH-Meßkette, wobei in einem Meßzyklus eine Meßspannung in Form einer Abschnitte konstanter Spannung aufweisenden Wechselspannung an die Reihenschaltung angelegt wird und eine durch die Widerstände beeinflußte Ausgangsspannung erzeugt wird, und eine Schaltungsanordnung zur dynamischen Messung eines ohmschen Widerstandes, dem eine Kapazität parallel geschaltet ist, insbesondere zur Messung der Impedanz der Glaselektrode einer pH-Meßkette, mit einem Auswerte­ abschnitt und einem elektrisch damit verbundenen Wider­ stands-Meßabschnitt, wobei der Auswerteabschnitt einen Signalgenerator, der ein Generatorsignal in Form einer Abschnitte konstanter Spannung aufweisenden Wechselspan­ nung erzeugt, und einen Verstärker aufweist, an dessen Ausgang ein Meßsignal abgreifbar ist.

Ein solches Verfahren und eine solche Schaltungsanordnung sind aus EP-A-2 41 601 bekannt.

Handelsübliche pH-Meßketten bestehen aus einer sehr hochohmigen, pH-sensitiven Glasmembranelektrode und einer relativ dazu meist niederohmigeren Bezugselektrode. Die elektrische Spannung an dieser Meßkette ist ein direktes Maß für den pH-Wert in einem wäßrigen Elektro­ lyten.

Bei einem Defekt der Meßkette oder eines Teiles davon können Meßspannungen entstehen, die falsche, jedoch plausible pH-Werte vortäuschen. Bei einem Defekt, insbe­ sondere bei einem mechanischen Defekt, der Elektroden ändert sich deren Innenwiderstand, so daß eine Überwa­ chung der Meßkette durch eine Messung dieses Widerstandes möglich ist. Da die eigentliche pH-Messung dadurch nicht gestört werden darf, müssen mehrere Bedingungen erfüllt werden. Die Messung kann nur kurzzeitig in sinnvollen Zeitintervallen durchgeführt werden. Die Messung muß mit einer kleinen zeitlich variierenden Spannung mit ausreichend hoher Frequenz durchgeführt werden, um meß­ wertverfälschende Polarisationseffekte zu vermeiden. Die pH-sensitive Elektrode und die Bezugselektrode müssen bisher getrennt überwacht werden. Als Gegenelektrode bei der Widerstandsmessung kann praktisch nur die Meß­ flüssigkeit verwendet werden, die über eine dritte Elek­ trode auf ein vorbestimmtes Potential, z.B. das Masse­ potential, gelegt ist.

Das kostengünstigste Verfahren ist die Einspeisung einer Rechteck-Wechselspannung über einen Vorwiderstand. Der Spannungsabfall an diesem Widerstand ist dann im einge­ schwungenen Zustand ein Maß für den Elektrodenwiderstand.

Hauptproblem sind dabei die unvermeidlichen Kabelkapa­ zitäten und die in üblichen pH-Meßschaltungen verwen­ deten Eingangskondensatoren zur Ableitung hochfrequen­ ter (äußerer) Störungen, die ein schnelles Einschwingen des Rechtecks verhindern und so bei größeren Kabelkapa­ zitäten, die insbesondere bei längeren Meßleitungen vorhanden sind, zu großen Meßfehlern innerhalb der be­ grenzten Meßzeit führen. Dies kann soweit gehen, daß die Aufladung der Kapazität noch nicht vollständig been­ det ist, wenn der Meßzyklus aus den oben erwähnten Grün­ den schon wieder abgebrochen werden muß.

In der EP-A-2 41 601 wird die Generatorspannung, d.h. die oben erwähnte Rechteck-Wechselspannung, in die Nul­ leitung der Meßkette eingespeist, so daß die Kabelkapazi­ tät auf eine geringere Spannung aufgeladen werden muß als bei der Einspeisung der Rechteckspannung über einen Vorwiderstand. Dadurch werden geringere Absolutfehler erreicht. Allerdings muß der Meßwiderstand bei der pH-Messung sehr hochohmig abgeschaltet werden, da er über den geöffneten Schalter parallel zum pH-Meßeingang liegt. Eine große Kabelkapazität führt zur Anzeige eines zu hohen Elektrodenwiderstandes, so daß ein Elektrodenbruch möglicherweise nicht erkannt wird. Außerdem darf die Nulleitung der Schaltung nicht geerdet sein, da sonst nicht in geerdeten Medien gemessen werden kann.

Ein ähnliches Problem ergibt sich, wenn man den Innen­ widerstand von Elektrolyt-Kondensatoren dynamisch messen will. Auch hier wird durch den Stromfluß, der zur Auf­ ladung des Kondensators notwendig ist, ein falscher Zusammenhang zwischen Strom und Spannung erzeugt, der zu einem falschen Meßergebnis führt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ver­ fahren und eine Schaltungsanordnung anzugeben, mit denen ein großer Widerstand auch dann schnell mit geringeren Fehlern gemessen werden kann, wenn eine Kapazität paral­ lel geschaltet ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß in einem Aufladeab­ schnitt des Meßzyklus so lange eine Hilfsspannung, die größer als die Meßspannung ist, an die Reihenschaltung der Kapazität mit dem Bezugswiderstand angelegt wird, bis die Kapazität auf eine Spannung aufgeladen ist, die der am zu messenden Widerstand abfallenden Spannung im Meßabschnitt des Meßzyklus entspricht.

Durch die schnellere Aufladung der Kapazität steht eine größere Zeit für die eigentliche Messung des Widerstandes zur Verfügung. Die Messung kann damit genauer durchge­ führt werden oder die Meßfrequenz, d.h. die Frequenz, mit der der Generator die Generatorspannung erzeugt, kann erhöht werden, beispielsweise, um Polarisations­ effekte noch weiter zu verringern, die die Messung des pH-Wertes verfälschen könnten. Außerdem kann in diesem Fall parallel zur Kapazität einer Meßleitung ein zusätz­ licher Kondensator gelegt werden, um z.B. hochfrequente Störungen abzuleiten. Der Meßabschnitt beginnt automa­ tisch zu dem Zeitpunkt, an dem die Kapazität auf die ausreichende Spannung aufgeladen ist. Das Verfahren führt selbst dann zu genauen Meßergebnissen, wenn die Kapazität bei der Meßfrequenz nur einen sehr kleinen Scheinwiderstand darstellt, der beispielsweise nur ein Tausendstel des Wertes des ohmschen Widerstandes hat. Bezugswiderstand und zu messender Widerstand bilden einen Spannungsteiler, mit dessen Hilfe die am zu messen­ den Widerstand abfallende Spannung ermittelt werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Meßspannung und die Hilfsspannung mit Hilfe eines Verstärkers aus einer einzigen Generatorspannung erzeugt, wobei der Verstärker so geregelt wird, daß im Meßabschnitt des Meßzyklus eine der Generatorspannung entsprechende Spannung an dem zu messenden Widerstand anliegt. Man benötigt also für die Aufladung und für die Messung lediglich eine einzige Spannungsquelle und einen einzigen Verstärker.

Für die schnellstmögliche Aufladung bei einem gegebenen Verstärker wird der Verstärker so geregelt, daß im Auf­ ladeabschnitt des Meßzyklus die maximale Ausgangsspannung des Verstärkers an der Reihenschaltung aus zu messendem und Bezugswiderstand anliegt. Damit wird ein sehr schnel­ ler Spannungsanstieg an der Parallelkapazität erreicht.

Ein noch schnellerer Spannungsanstieg an der Parallelka­ pazität wird dadurch erreicht, daß zu Beginn des Auflade­ abschnitts der maximale Ausgangsstrom des Verstärkers am Bezugswiderstand vorbei in die Parallelschaltung aus zu messendem Widerstand und Kapazität geleitet wird. Da eine vollständig entladene Kapazität praktisch einen Kurzschluß bildet, wird nur ein äußerst geringer Anteil dieses Stromes in den zu messenden Widerstand fließen, während der größte Teil des Stroms in die Kapazität fließt, um diese aufzuladen. Im Vergleich zur Aufladung der Parallelkapazität mit maximaler Ausgangsspannung des Verstärkers, die beispielsweise 5 Volt sein kann, ergibt sich eine theoretische Verbesserung, falls die Rückkopplungsimpedanz etwa 10 MOhm und der maximale Ausgangsstrom etwa 5 mA beträgt, von näherungweise

In der Praxis wird die Aufladezeit durch die endliche Anstiegsgeschwindigkeit des Operationsverstärkers be­ grenzt werden.

Die Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der ein­ gangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Wider­ standsmeßabschnitt so mit der Rückkopplung des Verstär­ kers verbunden ist, daß er die Verstärkung des Verstär­ kers beeinflußt und zusammen mit der Rückkopplung von dem vom Generatorsignal abhängigen Verstärkerausgangs­ signal beaufschlagt ist.

Dadurch wird erreicht, daß die zum Widerstand parallel liegende Kapazität, mit der beispielsweise eine Meßlei­ tung grundsätzlich beaufschlagt ist, mit einer höheren Spannung bzw. einem höheren Strom über die Rückkopplung (die Rückkopplungsimpedanz) aufgeladen wird, als dies im Stand der Technik der Fall war. Dadurch ergibt sich eine deutliche Verkürzung der Aufladezeit dieser Kapa­ zität, so daß beispielsweise eine Rechteck-Spannung wesentlich schneller auf ihren konstanten Wert ein­ schwingt, als dies bisher der Fall war. Dies wird dadurch ermöglicht, daß die Kapazität nicht mehr nur mit der Generatorspannung aufgeladen wird, sondern mit einem Vielfachen der Generatorspannung, die durch den Verstär­ ker verstärkt ist. Nimmt man beispielsweise an, daß der durch die Rückkopplungsimpedanz und die Impedanz des Widerstandsmeßabschnitts bestimmte Verstärkungsfaktor des Verstärkers den Wert 10 hat und die notwendige Ge­ nauigkeit der Meßspannung 90% des Endwertes beträgt, so ergibt sich gegenüber der Schaltung nach EP-A-2 41 601 eine Verkürzung der Einschwingzeit auf 4%. Bei der Aufladung verhält sich nämlich die Zeitkonstante nach der Erfindung t _E zur Zeitkonstanten der EP-A-2 41 601 t _A wie t _E /t _A = ln 0,91/ln 0,1 = 0,04. Darüber hinaus kann erfindungsgemäß ein einziger Verstärker für zwei Zwecke verwendet werden, nämlich zum einen zur Verstär­ kung der Generatorspannung zum Aufladen der Parallel­ kapazität und zum anderen zum Ausgeben bzw. zum Erzeugen der Meßspannung. Weiterhin läßt sich durch eine einfache Überwachung des Verstärkerausgangs zuverlässig feststel­ len, ob die Parallelkapazität schon ausreichend aufgela­ den ist oder nicht.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Verstärker einen invertierenden und einen nicht-invertierenden Eingang auf, wobei der Signalgenerator mit dem einen Eingang und der Widerstandsmeßabschnitt mit dem anderen Eingang elektrisch verbunden sind und die Rückkopplungs­ impedanz zwischen Verstärkerausgang und invertierendem Eingang geschaltet ist. Der Widerstandsmeßabschnitt bildet also zusammen mit der Rückkopplungsimpedanz einen Spannungsteiler. Wenn der Signalgenerator ein Rechteck­ signal erzeugt und die Kapazität noch nicht aufgeladen ist, entsteht zwischen den beiden Eingängen des Verstär­ kers eine Spannungsdifferenz, die durch den Verstärker verstärkt wird. Am Ausgang des Verstärkers steht dann eine relative hohe Spannung, in der Regel die maximale Ausgangsspannung des Verstärkers an. Mit dieser vollen Spannung wird die Kapazität aufgeladen. Der Spannungs­ anstieg an der Leitungskapazität ist damit natürlich steiler als beim Aufladen der Leitungskapazität mit einer geringeren Spannung, z.B. der einfachen Generator­ spannung. In dem Augenblick, wo die Spannung an der Kapazität die Generatorspannung erreicht hat, verschwin­ det die Differenz zwischen den beiden Verstärkereingän­ gen. Der Verstärker regelt seine Ausgangsspannung dann so, daß am Widerstandsmeßabschnitt die Generatorspannung anliegt. Die Ausgangsspannung kann nun als Meßspannung verwendet werden, aus der in Kenntnis der Größe der Generatorspannung und der Rückkopplungsimpedanz der zu messende Widerstand bestimmt werden kann.

Vorteilhafterweise ist der Verstärker als Operationsver­ stärker ausgebildet. Der Operationsverstärker hat eine ausreichend hohe Verstärkung, um die Parallelkapazität schnell aufzuladen. Nach Aufladen der Kapazität läßt sich mit ihm eine relativ genau arbeitende Spannungstei­ lerschaltung zum Auswerten der Größe des zu messenden Widerstandes aufbauen. Darüber hinaus sind Operationsver­ stärker als fertige Bauteile im Handel erhältlich, so daß lediglich eine äußere Beschaltung erforderlich ist.

Vorteilhafterweise ist die Rückkopplungsimpedanz als Widerstand ausgebildet. Damit wird ein einfacher ohm­ scher Spannungsteiler realisiert. Die Rückkopplungs­ impedanz dient dann als Bezugswiderstand. Phasenabhängige Erscheinungen werden so gering wie möglich gehalten.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Rückkopplungsimpedanz parallel zum Widerstand minde­ stens eine Zenerdiode auf. Damit wird eine noch schnel­ lere Aufladung der Parallelkapazität möglich. Am Anfang, d.h. unmittelbar nach der ansteigenden Flanke des vom Generator erzeugten Rechtecksignals ist die maximale Verstärkerausgangsspannung höher als die Zenerspannung, d.h. die Zenerdiode schließt den Widerstand der Rück­ kopplungsimpedanz kurz und die Aufladung der Parallelka­ pazität erfolgt mit dem maximalen Ausgangsstrom des Verstärkers.

Mit Vorteil weist die Rückkopplungsimpedanz parallel zum Widerstand zwei gegeneinander geschaltete Zenerdioden auf. Dadurch wird auch eine Generatorspannung verwendbar, die Signalpegel im positiven und im negativen Spannungs­ bereich erzeugt. Außerdem kann die Parallelkapazität nach Beendigung der Messung relativ schnell entladen werden, so daß sich beispielsweise an der Meßelektrode bzw. der Bezugselektrode keine die Messung des pH-Wertes verfälschenden Spannungen aufbauen können.

Mit Vorteil weist die Rückkopplungsimpedanz parallel zum Widerstand eine Kapazität auf, um trotz der phasen­ drehenden Wirkung der Parallelkapazität am invertierenden Eingang ein stabiles Arbeiten des Operationsverstärkers zu erreichen.

Mit besonderem Vorteil wird die Schaltungsanordnung so eingesetzt, daß der Widerstandsmeßabschnitt eine pH-sensitive Elektrode, insbesondere eine hochohmige Glasmembranelektrode aufweist, die mit einer Meßflüssig­ keit, die gegen Masse geschaltet ist in Reihe liegt. Die pH-sensitive Elektrode kann aber auch mit einer in der Regel relativ niederohmigen Bezugselektrode in Reihe liegen, wobei die Verbindung ebenfalls über die Meßflüssigkeit hergestellt wird. In einer anderen Aus­ führungsform weist der Widerstandsmeßabschnitt einen den Widerstand des Abschnitts im wesentlichen bestimmen­ den Elektrolyten auf, beispielsweise bei der Messung des Innenwiderstandes eines Elektrolyt-Kondensators. In einer weiteren Ausführungsform weist der Widerstands­ meßabschnitt eine Mikroelektrode mit großer Zellkonstante auf. Allen Schaltungsanordnungen ist gemeinsam, daß der Widerstandsmeßabschnitt einen sehr großen Widerstand aufweist, dessen Wert überwacht werden soll. Natürlich kann die Schaltungsanordnung auch zum Messen sehr kleiner Leitwerte verwendet werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Signalgene­ rator über eine Entkopplungskapazität mit dem Verstärker verbunden und eine Aufladungseinrichtung ist so mit dem Widerstandsmeßabschnitt und der Entkopplungskapazität verbunden, daß die Entkopplungskapazität vor einer Ände­ rung des Generatorsignals zur Messung des großen Wider­ standes auf die gleiche Spannung wie der Widerstandsmeß­ abschnitt aufgeladen ist. Durch die Aufladungseinrichtung wird dabei in vorteilhafter Weise erreicht, daß die Entkopplungskapazität des Verstärkers immer auf die Spannung aufgeladen ist, die auch im Widerstandsmeßab­ schnitt herrscht, bevor der eigentliche Widerstandsmeß­ zyklus begonnen wird. Dadurch wird die Zeit, die ver­ streichen muß, bis die Meßspannung den geforderten Wert erreicht hat, weiter verkürzt. Außerdem steht nach Rück­ setzen des Generatorsignals sofort wieder die ursprüng­ liche Spannung am Widerstandsmeßabschnitt zur Verfügung, z.B. zur Messung des pH-Wertes.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind Schaltmittel vorgesehen, die die Polarität der Eingänge des Verstärkers umkehren und den Ausgang des Verstärkers jeweils nur auf seinen invertierenden Eingang zurück­ koppeln. Durch den Einsatz der Schaltmittel läßt sich die Schaltungsanordnung für zwei verschiedene Betriebs­ weisen verwenden. Die erste Betriebsweise ist die Wider­ standsmessung, bei der der Widerstands-Meßabschnitt mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers verbunden ist. In der anderen Betriebsweise, bei der die Polari­ täten der Eingänge des Verstärkers umgekehrt sind, ist der Widerstands-Meßabschnitt nun mit dem nicht-inver­ tierenden Eingang des Verstärkers verbunden. Anderer­ seits wird der Ausgang des Verstärkers wiederum auf den nun invertierenden Eingang rückgekoppelt, so daß der Verstärker als nicht-invertierender Verstärker für ein möglicherweise im Widerstands-Meßabschnitt erzeugtes Spannungssignal dienen kann. Dies ist insbesondere wert­ voll, wenn die Schaltungsanordnung bei einer pH-Messung eingesetzt wird, bei der periodisch der Widerstand der Glas- bzw. Bezugselektroden überwacht werden muß, um festzustellen, ob ein Elektrodenbruch vorliegt oder nicht. In der ersten Betriebsart wird der Widerstand gemessen, indem die Generatorspannung und die Verstärker­ ausgangsspannung miteinander in Beziehung gesetzt wer­ den. In der anderen Betriebsart, der pH-Messung, wird die pH-abhängige Eingangsspannung des Verstärkers, die im Widerstands-Meßabschnitt erzeugt wird, am Ausgang des Verstärkers abgegriffen, gegebenenfalls abgeschwächt oder verstärkt durch die geänderte Rückkopplung.

Dabei ist allerdings bevorzugt, daß in dem Schaltzustand der Schaltmittel, in dem der Widerstands-Meßabschnitt mit dem nicht-invertiertenden Eingang des Verstärkers verbunden ist, der Ausgang direkt mit dem invertierenden Eingang verbunden ist. Der Verstärker stellt dann einen reinen Impedanzwandler oder Spannungsfolger mit sehr großem Eingangswiderstand und sehr kleinem Ausgangs­ widerstand dar.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung,

Fig. 2 Signalverläufe an verschiedenen Stellen der Schal­ tungsanordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Variante der Schaltungsanordnung und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer dritten Variante der Schaltungsanordnung.

Eine Schaltungsanordnung weist einen Auswerteabschnitt 8 und einen Widerstandsmeßabschnitt 9 auf, die durch eine Leitung 5 miteinander verbunden sind. Die Leitung ist kapazitätsbehaftet, was im Schaltbild durch einen Kondensator C _K dargestellt ist. Die Kapazität kann jedoch auch andere Ursachen haben, beispielsweise kann sie die Kapazität eines Elektrolyt-Kondensators sein, wenn dessen Innenwiderstand gemessen werden soll. In diesem Fall entfallen natürlich die beiden Elektroden 3 und 4.

Der Auswerteabschnitt 8 weist einen Generator 1 und einen Verstärker 2 auf, der als Operationsverstärker ausgebildet sein kann. Der Generator 1 erzeugt eine Spannung U _G , bevorzugterweise eine Rechteck-Wechselspan­ nung. Der Generator 1 ist über eine Koppelkapazität C _G mit dem nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers 2 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 2 ist über eine Ausgangskapazität C _A an eine Ausgangsklemme 10 geführt, an der die Ausgangsspannung des Auswerteabschnitts 8 abgenommen werden kann. Der Ausgang des Verstär­ kers 2 ist über eine Rückkopplungsimpedanz 11 an den invertierenden Eingang des Verstärkers 2 zurückgekoppelt. Der invertierende Eingangsverstärker 2 ist außerdem zu einer Klemme 12 geführt, an der die Leitung 5 ange­ schlossen ist.

Der Widerstandsmeßabschnitt 9 weist eine pH-Meß- bzw. Bezugselektrode 3 und eine mit Masse verbundene Masse­ elektrode 4 auf, die in eine Flüssigkeit 7 getaucht sind, die sich in einem Gefäß 6 befindet. Die pH-Meß- bzw. Bezugselektrode 3 dient dazu, eine dem pH-Wert der Flüssigkeit 7 proportionale Spannung zu erzeugen. Die Masseelektrode dient bei der pH-Messung dazu, die Flüssigkeit auf einem definierten Potential zu halten. Die pH-Meßelektrode 3 ist sehr hochohmig. Der Widerstand zwischen ihrer Zuführleitung und Masse wird durch den Ersatzwiderstand R _G dargestellt. Eine Veränderung der pH-Meßelektrode 3, beispielsweise durch eine mechanische Beschädigung, ändert den Widerstandswert des Ersatzwider­ standes R _G , so daß durch eine Messung dieses Ersatzwider­ standes R _G auch eine Beurteilung darüber möglich ist, ob die pH-Meßelektrode 3 ordnungsgemäß arbeitet oder nicht. Bei einem Elektrodenbruch verringert sich Wider­ stand R _G beispielsweise auf einen wesentlich kleineren Wert. Natürlich ist die gesamte Anordnung auch dazu geeignet, die pH-Meßelektrode gegen die Referenzelektrode zu messen. In diesem Fall ist die pH-Meßelektrode die Elektrode 3 und die Bezugs- oder Referenzelektrode die Elektrode 4. Die Elektrode 4 muß dann mit ihrem anderen Ende nicht mehr mit Masse verbunden sein, wobei aber das Bezugs-Elektrodenpotential bei der Widerstandermitt­ lung berücksichtigt werden muß.

Anhand von Fig. 2 soll die Funktionsweise der Schaltungs­ anordnung nach Fig. 1 erläutert werden.

Zu einem Zeitpunkt t ₀ erzeugt der Generator 1 die an­ steigende Flanke eines Rechtecksignals, das bis zum Zeitpunkt t ₂ als Spannung U _G über die Eingangskapazität C _G am nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers 2 anliegt. Zum einfacheren Verständnis wird angenommen, daß die Leitungskapazität C _K entladen ist, so daß am invertierenden Eingang des Verstärkers 2 das Masse­ potential anliegt. Die entstehende Spannungsdifferenz zwischen dem invertierenden und dem nicht-invertieren­ den Eingang des Verstärkers 2 wird verstärkt. Infolge­ dessen liegt eine sehr hohe Ausgangsspannung, in der Regel die maximale Ausgangsspannung des Verstärkers an dessen Ausgang an. Diese Spannung U _Amax wird an die Reihenschaltung aus Rückkopplungsimpedanz 11 und Wider­ standsmeßabschnitt 9 angelegt. Da sich die Leitungska­ pazität C _K parallel zum Widerstandsmeßabschnitt 9 befin­ det, liegt die maximale Verstärkerausgangsspannung U _Amax auch an der Reihenschaltung aus Rückkopplungsimpedanz und Leitungskapazität C _K an. Die Leitungskapazität C _K wird also mit einem Teil der vollen Verstärkerausgangs­ spannung U _Amax aufgeladen, bis sie den Wert der Genera­ torspannung U _G erreicht hat. In diesem Augenblick, dem Zeitpunkt t ₁, verschwindet die Differenz zwischen dem invertierenden und dem nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers 2. Der Verstärker 2 regelt dann seine Ausgangsspannung U _A so, daß die Differenz zwischen seinen beiden Eingängen Null ist, d.h., daß am Widerstandsmeßab­ schnitt 9 die Generatorspannung U _G anliegt. Dies hat zur Folge, daß sich die Ausgangsspannung U _A nach der folgenden Formel bestimmt

Da die Generatorspannung U _G und die Impedanz der Rück­ kopplung R _S bekannt ist, läßt sich aus dieser Beziehung leicht der Wert für den Ersatzwiderstand R _G herleiten. Je stärker sich das Verhältnis zwischen U _A und U _G dem Wert 1 annähert, desto größer ist der Ersatzwiderstand R _G.

Im Zeitpunkt t ₂ erzeugt der Generator 1 eine abfallende Flanke des Rechtecks, so daß beispielsweise zu diesem Zeitpunkt die Ausgangsspannung U _G des Generators Massepo­ tential annimmt.

Im Vergleich dazu ist in Fig. 2 gestrichelt die Spannung an der Leitungskapazität C _K eingezeichnet, wie sie sich aus der Schaltungsanordnung der EP-A-2 41 601 ergibt. Die Zeitkonstante, mit der diese Spannung expotentiell ansteigt, ist zwar dieselbe wie in der Schaltungsanord­ nung nach Fig. 1. Da die Kapazität aber mit einer wesent­ lich niedrigeren Spannung aufgeladen wird, nämlich nur mit der einfachen Generatorausgangsspannung U _G , ist ihr Anstieg auch wesentlich langsamer. Wie dargestellt kann es durchaus passieren, daß die Kapazität noch nicht auf ihren vollen Wert aufgeladen ist, wenn die Rechteck­ spannung schon wieder auf ihren Wert Null zurückgeführt werden muß. Dies kann zu Fehlern in der Auswertung des Meßergebnisses führen, da eine falsche, nämlich in Wirk­ lichkeit gar nicht am Widerstand R _G anliegende, Genera­ torspannung zum Bestimmen des Ersatzwiderstandes R _G angenommen wird.

Am einfachsten wird die Rückkopplungsimpedanz 11 durch einen Widerstand R _S gebildet.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Rückkopp­ lungsimpedanz 11, die zusammen mit dem Widerstandsmeß­ abschnitt 9 die Gegenkopplung des Verstärkers 2 bildet, eine parallel zum Widerstand R _S geschaltete Kapazität C _S auf. Durch die phasenkompensierende Wirkung von C _S kann trotz der phasendrehenden Wirkung von C _K am inver­ tierenden Eingang ein stabiles Arbeiten des Operations­ verstärkers gewährleistet werden.

In einer weiteren Ausführungsform kann anstelle der parallel geschalteten Kapazität C _S oder zusätzlich paral­ lel zu ihr eine Zenerdiode Z 1 oder eine Reihenschaltung aus zwei gegeneinander geschalteten Zenerdioden Z 1 und Z 2 in die Rückkopplungsimpedanz 11 geschaltet sein. Wenn der Generator 1 die ansteigende Flanke eines Recht­ eckssignals erzeugt, d.h. am Anfang eines Meßzyklus, ist die Verstärkerausgangsspannung U _Amax größer als die Zenerspannung der Zenerdioden Z 1 und Z 2. Eine der Zenerdioden öffnet (die andere befindet sich im Durchlaß­ bereich) und der Widerstand R _S wird praktisch kurzge­ schlossen. Damit kann der maximale Verstärkerausgangs­ strom I _Amax durch die Zenerdioden Z 1, Z 2 in die Leitungs­ kapazität C _K fließen. Die Aufladung wird damit noch erheblich stärker beschleunigt, da der Spannungsabfall am Widerstand R _S den Aufladestrom nicht mehr begrenzt. Die Verwendung von zwei gegeneinander geschalteten Zener­ dioden hat den Vorteil, daß die Generatorspannung U _G nicht mehr darauf begrenzt ist, nur noch positive oder nur noch negative Spannungspegel zu erzeugen, wie im Fall einer einzigen Zenerdiode. Mit zwei gegeneinander geschalteten Zenerdioden Z 1 und Z 2 lassen sich beide Pegel verarbeiten, ohne daß ein Kurzschluß verursacht wird.

Fig. 3 zeigt eine Darstellung einer weiteren Schaltungs­ anordnung. Die Rückkopplungsimpedanz 11 ist lediglich schematisch dargestellt. Der Widerstand zwischen den Elektroden 3 und 4 ist als Widerstand R _G dargestellt. Zusätzlich zu den Elementen der Fig. 1 ist eine Aufla­ dungseinrichtung 20 vorgesehen, die mit der Leitungskapa­ zität C _K und der Entkopplungskapazität C _G , die zwischen dem Generator 1 und dem nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers 2 geschaltet ist, verbunden ist. Die Aufladungseinrichtung 20 empfängt über eine Leitung 21 ein Steuersignal vom Generator 1 und steuert über eine Leitung 22 die Funktion des Operationsverstärkers 2. Die Steuerung kann beispielsweise darin bestehen, die Polaritäten der Eingänge des Operationsverstärkers 2 umzuschalten. Die Aufladungseinrichtung 20 dient dazu, C _G vor dem Messen des großen Widerstandes R _G immer auf den Wert der Leitungskapazität C _K aufzuladen. Bei der Aufladung von C _K nach einer ansteigenden Flanke des Generatorsignals wird also die Anfangsladung von C _K bereits berücksichtigt, was dazu führt, daß die Leitungs­ kapazität C _K noch schneller auf den gewünschten Endwert zur Messung des großen Widerstandes R _G aufgeladen werden kann. Nach Rücksetzen des Generatorsignals steht außerdem die ursprüngliche Spannung an C _K wieder, z.B. zur Messung des pH-Wertes unmittelbar nach der Widerstandsmessung, zur Verfügung.

Fig. 4 zeigt eine weitere Variante der Schaltungsanord­ nung. Der Verstärker 2 besteht hierbei aus zwei Verstär­ kern V ₁ und V ₂, drei gleichen Widerständen R und einem Schalter S ₂. Am linken Rand des gestrichelt gezeichneten Kästchens 2, das den Verstärker darstellen soll, sind die Polaritäten der beiden Eingänge des Verstärkers 2 dargestellt, wie sie in den Fig. 1 und 3 zu finden sind. Der invertierende Eingang des Verstärkers 2 ist mit dem nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers V ₁ verbunden, während der nicht-invertierende Eingang des Verstärkers 2 mit dem invertierenden Eingang des Ver­ stärkers V ₁ verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers V ₁ ist einerseits über einen Widerstand R mit dem nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers V ₂ verbun­ den, andererseits über einen Widerstand R gleicher Größe mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers V ₂. Der Ausgang des Verstärkers V ₂ ist über einen dritten Wider­ stand ebenfalls gleicher Größenordnung mit seinem inver­ tierenden Eingang verbunden. Der nicht-invertierende Eingang des Verstärkers V ₂ kann über einen Schalter S ₂ mit Masse verbunden werden. Der Schalter S ₂ kann beispielsweise als elektronischer Schalter (Halbleiter-Schalter) ausgeführt sein, der mit Hilfe eines Signals 30 von einer Steuereinrichtung 31 geöffnet oder geschlos­ sen werden kann.

Der Ausgang des Verstärkers 2 ist über die Rückkopp­ lungs-Impedanz 11 mit seinem invertierenden Eingang (-) verbunden, wobei zwischen dem Ausgang und der Rückkopp­ lungs-Impedanz 11 ein Schalter S ₁ angeordnet ist, der über ein Signal 32 ebenfalls von der Steuereinrichtung 31 betätigt werden kann. Der Ausgang des Verstärkers 2 ist über einen Schalter S ₃ mit seinem nicht-invertie­ renden Eingang (+) verbunden. Der Schalter S ₃ kann über ein Signal 33 von der Steuerungseinrichtung 31 betätigt werden. Der nicht-invertierende Eingang (+) ist permanent über eine Koppelkapazität C _G mit dem Generator 1 verbun­ den.

Zur Widerstandsmessung sind die Schalter S ₁ bis S ₃ in der eingezeichneten Stellung. Die Eingänge des Verstär­ kers 2 haben die in Klammern gezeichneten Polaritäten. Es ergibt sich praktisch der Schaltzustand, wie er auch in Fig. 1 dargestellt ist. Der Verstärker 2 arbeitet als invertierender Verstärker mit der Rückkopplungs-Impe­ danz 11 als Gegenkopplungsimpedanz. Zur Widerstandsmes­ sung wird über die Koppelkapazität C _G eine Spannung, die konstante Abschnitte aufweist, also beispielsweise eine Rechteck- oder Trapez-Spannung, an den in dieser Schaltstellung nicht-invertierenden Eingang des Verstär­ kers gelegt. Die Spannung an der Rückkopplungs-Impedanz 11 ist dem Widerstand R _G proportional. Sie steht als U _R niederohmig zur Verfügung.

Um eine über den Widerstandsmeßabschnitt R _G erzeugte Spannung am Verstärkerausgang zu erhalten, wie dies beispielsweise bei einer pH-Messung erforderlich ist, wird der Schaltzustand geändert. Die Schalter S ₁ und S ₂ werden geöffnet, der Schalter S₃ wird geschlossen. Durch das Öffnen des Schalters S ₂ ändern sich die Pola­ ritäten der Eingänge des Verstärkers 2. Der zuvor inver­ tierende Eingang wird nun zu einem nicht-invertierenden Eingang, während der zuvor nicht-invertierende Eingang nun zu einem invertierenden Eingang wird. Die Polaritäten der Eingänge des Verstärkers 2 entsprechen nun genau den Polaritäten des Verstärkers V ₁. Durch das Öffnen des Schalters S ₁ wird die Rückkopplung des Ausgangs auf den nun nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers unterbrochen. Dafür wird durch das Schließen des Schal­ ters S ₃ eine Rückkopplung des Ausgangs des Verstärkers 2 auf seinen invertierenden Eingang hergestellt. Der Verstärker 2 stellt nun einen reinen Impedanzwandler oder Spannungsfolger dar, an dessen Ausgang eine dem pH-Wert proportionale Spannung niederohmig abgenommen werden kann, während die im Widerstandsmeßabschnitt erzeugte, dem pH-Wert proportionale Spannung sehr hoch­ ohmig an den Verstärker 2 angelegt wird.

Die Funktionsweise der vorliegenden Schaltung wurde im Zusammenhang mit einem Rechtecksignal, das durch den Generator 1 erzeugt wird, erläutert. Es sind jedoch auch eine Vielzahl von anderen zeitlichen Verläufen der Generatorspannung denkbar, beispielsweise eine sinus­ förmige Spannung, eine trapezförmige Spannung oder ähn­ liches. In jedem Fall erlaubt die dargestellte Schal­ tungsanordnung ein schnelleres Einschwingen der am Wi­ derstandsmeßabschnitt 9 anliegenden Spannung auf den vorgegebenen Wert.

Claims (18)

1. Verfahren zum dynamischen Messen eines ohmschenen Widerstandes, der in Reihe mit einem Bezugswiderstand und parallel zu einer Kapazität angeordnet ist, ins­ besondere zur Messung der Impedanz der Glaselektrode einer pH-Meßkette, wobei in einem Meßzyklus eine Meßspannung in Form einer Abschnitte konstanter Span­ nung aufweisenden Wechselspannung an die Reihenschal­ tung angelegt wird und eine durch die Widerstände beeinflußte Ausgangsspannung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Aufladeabschnitt des Meßzyklus solange eine Hilfsspannung, die größer als die Meßspannung ist, an die Reihenschaltung von Bezugswiderstand und Kapazität angelegt wird, bis die Kapazität auf eine Spannung aufgeladen ist, die der am zu messenden Widerstand abfallenden Spannung im darauffolgenden Meßabschnitt des Meßzyklus ent­ spricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspannung und die Hilfsspannung mit Hilfe eines Verstärkers aus einer einzigen Generatorspan­ nung erzeugt werden, wobei der Verstärker so geregelt wird, daß im Meßabschnitt des Meßzyklus eine der Generatorspannung entsprechende Spannung an dem zu messenden Widerstand anliegt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker so geregelt wird, daß im Auflade­ abschnitt des Meßzyklus die maximale Ausgangsspannung des Verstärkers an der Reihenschaltung aus zu messen­ dem und Bezugswiderstand anliegt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn des Aufladeabschnitts der maximale Ausgangsstrom des Verstärkers am Bezugswiderstand vorbei in die Parallelschaltung aus zu messendem Widerstand und Kapazität geleitet wird.

5. Schaltungsanordnung zur dynamischen Messung eines ohmschen Widerstandes, dem eine Kapazität parallel geschaltet ist, insbesondere zur Messung der Impedanz der Glaselektrode einer pH-Meßkette, mit einem Aus­ werteabschnitt und einem elektrisch damit verbundenen Widerstands-Meßabschnitt, wobei der Auswerteabschnitt einen Signalgenerator, der ein Generatorsignal in Form einer Abschnitte konstanter Spannung aufweisenden Wechselspannung erzeugt, und einen Verstärker auf­ weist, an dessen Ausgang ein Meßsignal abgreifbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandsmeßab­ schnitt (9) so mit der Rückkopplung des Verstärkers (2) verbunden ist, daß er die Verstärkung des Ver­ stärkers beeinflußt, und zusammen mit der Rückkopplung von dem vom Generatorsignal (U _G ) abhängigen Verstär­ kerausgangssignal (U _A ) beaufschlagt ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Verstärker (2) einen invertieren­ den (-) und einen nicht-invertierenden (+) Eingang aufweist, wobei der Signalgenerator (1) mit dem einen Eingang und der Widerstandsmeßabschnitt (9) mit dem anderen Eingang elektrisch verbunden sind und eine Rückkopplungsimpedanz (R _S , C _S , Z ₁, Z ₂) zwischen Ver­ stärkerausgang und invertierenden Eingang (-) geschal­ tet ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Verstärker (2) als Operationsver­ stärker ausgebildet ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsimpedanz als Widerstand (R _S ) ausgebildet ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rückkopplungsimpedanz parallel zum Widerstand mindestens eine Zenerdiode (Z ₁, Z ₂) aufweist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsimpedanz paral­ lel zum Widerstand zwei gegeneinander geschaltete Zenerdioden (Z ₁, Z ₂) aufweist.

11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopp­ lungsimpedanz parallel zum Widerstand eine Kapazität (C _S ) aufweist.

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandmeß­ abschnitt (9) eine pH-sensitive Elektrode (3), insbe­ sondere eine hochohmige Glasmembranelektrode, auf­ weist, die mit einer Meßflüssigkeit (7), die gegen Masse geschaltet ist, in Reihe liegt.

13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die pH-sensitive Elektrode (3) über die Meßflüssigkeit (7) mit einer Bezugselektrode (4) in Reihe liegt.

14. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandsmeßab­ schnitt (9) einen den Widerstand des Abschnitts im wesentlichen bestimmenden Elektrolyten aufweist.

15. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandsab­ schnitt (9) eine Mikroelektrode mit großer Zellkon­ stante aufweist.

16. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgenerator (1) über eine Entkopplungskapazität (C _G ) mit dem Verstärker (2) verbunden ist und eine Aufladungsein­ richtung (20) so mit dem Widerstandsmeßabschnitt (9) und der Entkopplungskapazität (C _G ) verbunden ist, daß die Entkopplungskapazität (C _G ) vor einer Änderung des Generatorsignals zur Messung des ohm­ schen Widerstandes auf die gleiche Spannung wie der Widerstandsmeßabschnitt aufgeladen ist.

17. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltmittel (S ₁, S ₂, S ₃) vorgesehen sind, die die Polarität der Ein­ gänge des Verstärkers (2) umkehren und den Ausgang des Verstärkers (2) jeweils nur auf seinen invertie­ renden Eingang zurückkoppeln.

18. Schaltungsanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in dem Schaltzustand der Schaltmittel (S ₁, S ₂, S ₃), in dem der Widerstandsmeßabschnitt (11) mit dem nicht-invertierenden Eingang des Ver­ stärkers (2) verbunden ist, der Ausgang direkt mit dem invertierenden Eingang verbunden ist.