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Verfahren und Einrichtung zum Messen des Widerstandes von Elektrolyten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Widerstandes von Elektrolyten,
das auch bei technischen Flüssigkeiten mit hoher Leitfähigkeit genaue Ergebnisse
liefert.
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Es ist bereits früher vorgeschlagen worden, um den Einfluß der Polarisation
auszuschalten, bei der Messung von Flüssigkeitswiderständen außer den beiden zur
Stromzuführung dienenden Elektroden zwei besondere Elektroden als Sonden zum Abgreifen
der Spannung zu benutzen. Hierbei wurden zur Messung der Spannung statische Instrumente
benutzt. Man findet daher in den Lehrbüchern die Angabe, daß die Methode sich nur
zur Messung des Widerstandes von Flüssigkeiten eignet, die schon fast zu den Isolatoren
zu rechnen sind. Wenn auch die letztgenannte Ansicht seit dem Auftauchen der Röhrenvoltmeter
nicht mehr als zutreffend gelten kann. so kann doch die Methode in der bekannten
Form auch bei Anwendung von Röhrenvoltmetern nicht zu genauen Messungen bei technischen
Flüssigkeiten benutzt werden, da selbst bei der Verwendung von statischen Meßinstrumenten
infolge des Aufladungsstromes immer noch eine gewisse Polarisation auftritt, deren
Größe nur ungenau abgeschätzt werden kann.
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Nach der Erfindung geschieht die Messung der an den Sonden abgegriffenen
Spannung durch eine Kompensationseinrichtung. Abgesehen davon, daß mit der Kompensationsmethode
Spannungsmessungen bedeutend genauer ausgeführt werden können als mit elektrostatischen
Meßinstrumenten, erreicht man hierdurch bei Messung von Flüssigkeitswiderständen
noch den besonderen Vorteil, daß bei Erreichung der Kompensationsstellung durch
die Sonden tatsächlich kein Strom fließt. So gelingt es durch die Anwendung der
Kompensationsmethode, den Einfluß der Polarisation wirklich auszuschalten.
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Es ist noch erforderlich, die Flüssigkeitsmenge oder einen Teil derselben
in ein besonderes Gefäß zu füllen, weil andernfalls metallische Gehäusewände usw.
den Verlauf der Äquipotentialflächen und damit die Konstante der Messung beeinflussen
würden. Ebenso würde die Messung durch den wirksamen Flüssigkeitsquerschnitt beeinflußt
werden. Um das Abfüllen in ein besonderes Meßgefäß zu vermeiden und ohne Schwierigkeit
auch fortlaufende Messungen vornehmen zu können, so daß man z. B. bei strömenden
Flüssigkeiten Schwankungen in der Konzentration sofort feststellen kann, hat man
bereits die Elektroden mit einem durchbrochenen Leiter umgeben, der mit den Elektroden
mechanisch starr verbunden ist und der eine Äquipotentialfläche festlegt. Bei gleichzeitiger
Anwendung der Kompensationsmethode und des durchbrochenen, die Elektroden umgebenden
Leiters erhält man so ein Verfahren, das gestattet, die Leitfähigkeit technischer
Flüssigkeiten in beliebigen Gefäßen mit bisher nicht erreichbarer Genauigkeit zu
messen.
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Die Erfindung besteht außerdem noch in der Schaffung von für die Messung
von Flüssigkeitswiderständen
besonders geeigneten Kompensationsschaltungen.
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Die Zeichnung zeigt Schaltbilder und schematische Darstellungen verschiedener
Ausführungsformen der Erfindung, und zwar zeigen Abb.i die benutzte Elektrodenanordnung
in schematischer Darstellung, Abb.2 bis 5 Schaltbilder verschiedener Kompensationsschaltungen.
In Abb. i sind 3, 4., 5, 6 vier Leiter mit Elektroden. Von diesen dienen 3, q. zur
Zuführung des Badstromes, während 5, 6 als stromlose Spannungssonden benutzt werden.
Alle vier Elektroden sind mit einem sie umgebenden durchbrochenen Leiter i1 starr
verbunden.
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Abb. 2 zeigt eine einfache Kompensationsschaltung. An einer Stromquelle
i liegen einander parallel einerseits ein geeichter Widerstand?, andererseits die
beiden Elektroden 3,4 mit dem dazwischen befindlichen Elektrolyten. Durch Verschieben
von mit den Sonden 5, 6 verbundenen Abtastkontakten auf dem Widerstand 7 wird in
beiden Sonden Stromlosigkeit hergestellt, die durch Meßinstrumente 9, 1o geprüft
wird. Ein weiteres Meßgerät 8 dient zur Messung der Stromstärke im Badstromkreis.
Infolge der Eichung des Widerstandes 7 kann man, wenn die Klemmenspannung bekannt
ist, leicht die abgegriffene Spannung ermitteln. Der umgebende Leiter i i stellt
in jedem Fall eine Äquipotentialfläche dar. Seine Ladung stellt sich von selbst
so ein, daß innerhalb desselben stets die gleiche Feldverteilung herrscht. Das Verhältnis
des gemessenen Widerstandes zum spezifischen Widerstand der zu messenden Flüssigkeit
stellt daher eine Konstante der Anordnung dar, die unabhängig von dem jeweils verwendeten
Flüssigkeitsbehälter ist. Man kann den umgebenden Leiter auch selbst als Stromzuführungselektrode
benutzen.
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Bei der beschriebenen Anordnung ist es von Nachteil, daß es sehr schwierig
ist, in beiden Sonden gleichzeitig Stromlosigkeit zu erreichen.
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Diese Schwierigkeit fällt bei Verwendung der Kompensationsschaltung
nach Abb. 3 fort. Die dort gezeigte Schaltung unterscheidet sich von der eben beschriebenen
dadurch, daß zur Speisung des Widerstandes 7 und zur Speisung des Badstromkreises
zwei galvanisch voneinander getrennte Stromquellen i, 2 verwendet werden. Eine der
Sonden, z. B. 6, kann dann mit einem festen Punkte des Widerstandes 7 dauernd verbunden
bleiben, während es zur Herstellung der Stromlosigkeit in beiden Sonden genügt,
den Angriff der Sonde5 am Widerstand? so lange zu verschieben, bis das Instrument
9 Stromlosigkeit anzeigt. Steht eine Stromquelle 2 mit stetig veränderlicher Spannung
zur Verfügung, so kann der Widerstand 7 auch fortfallen. Die Erzielung der Stromlosigkeit
in dem Instrument 9 geschieht dann lediglich durch Änderung der Spannung an der
Stromquelle 2.
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Bei beiden bisher erwähnten Verfahren können aber noch Meßfehler dadurch
entstehen, daß bis zur Erreichung der Nullstellung durch die Sonden noch Ströme
fließen, die eine Polarisation erzeugen können. Die Nachwirkungen dieser Polarisation
können auch nach Aufhören des Stromflusses fortbestehen und so die Messung fälschen.
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Diese Schwierigkeit kann durch Verwendung von Wechselstrom überwunden
werden. Hierbei ist aber zu beachten, daß nicht nur die Mittelwerte der beiden zu
vergleichenden Spannungen übereinstimmen müssen, wenn die Anzeige der eingeschalteten
Instrumente auf Null zurückgehen soll und wenn die Sonden tatsächlich stromlos sein
sollen, sondern es muß zwischen den zu vergleichenden Spannungen auch Phasengleichheit
herrschen. Diese Phasengleichheit kann durch Verwendung von sogenannten Doppelmaschinen,
d. h. von Maschinenpaaren aus zwei vollkommen gleichartigen, mechanisch miteinander
gekuppelten Maschinen, für die Erzeugung der beiden Spannungen erreicht werden;
einfacher und billiger ist aber die Anordnung nach Abb. 4..
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Die Spannungen werden an den Sekundärwicklungen i, 2 zweier an der
gleichen Wechselspannung liegender Transformatoren oder auch an zwei von dem gleichen
Wechselfluß durchflossenen, galvanisch voneinander getrennten Wicklungen abgenommen.
Als solche können entweder zwei galvanisch voneinander getrennte sekundäre Wicklungen
oder auch die Primärwicklung und eine von dieser galvanisch getrennte Sekundärwicklung
benutzt werden.
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Es tritt aber bei dieser Schaltung noch eine Schwierigkeit auf, die
eine sehr genaue Abgleichung mit den bisher genannten Mitteln verhindert. Das elektrolytische
Bad stellt nämlich einen Kondensator von erheblicher Größe dar, dessenKapazität
sich aus der elektrostatischen Kapazität der Elektroden und einer Pseudokapazität
zusammensetzt, die eine Folge der Polarisation darstellt.
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Um die hierdurch bedingte Phasenverschiebung zwischen Badstrom und
Klemmenspannung und damit zwischen der Sondenspannung und der Kompensationsspannung
auszugleichen, kann man in üblicher Weise durch Anwendung von Kondensatoren die
Kapazität des Kompensationszweiges erhöhen. Diese Kondensatoren müßten aber sehr
hohen Kapazitätswert erhalten.
Bei der in Abb. q. dargestellten
Schaltung wird die Erreichung der Phasengleichheit zwischen Sondenspannung und Kompensationsspannung
in einfacherWeise durch *@nderung der Belastung der als Spannungsquellen dienenden
Transformatorwicklungen und damit der Transformatorstreuung erreicht. Ein von der
Wicklung 2 gespeister Widerstand 7 dient wieder als Spannungsteiler, an dem die
Sondenspannung abgetastet wird. Im Kreise der Wicklung :2 befindet sich aber außerdem
ein Widerstand i2, durch den die aus der Wicklung 2 entnommene Stromstärke und damit
die Streuung des Transformators verändert werden kann. Zugleich verschiebt sich
die Phase des Stromes in der Wicklung 2 gegenüber dem Primärstrom, so daß man durch
entsprechende Regelung des M'iderstandes 12 Phasengleichheit des Stromes im Widerstand
7 mit der Sondenspannung erreichen kann. Bei der in Abb. 4 dargestellten Schaltung
liegen die Spulen i, 2 im Felde einer und derselben Primärwicklung. Da für die Induktion
der Wicklungen z und 2 eine gemeinsame Primärspule benutzt wird, ist die primäre
Phasengleichheit an sich gegeben, so daß die Einstellung der sekundären Phasengleichheit
durch Einstellen der Ströme in den Kreisen i, 8, 3, q., 14 und 2, 13, 7, 12 besonders
einfach ist und die Phasengleichheit unabhängig von Schwankungen der Primärspannung
erhalten bleibt. Da die Elektroden durch den Leiter i i mechanisch starr verbunden
sind, können keine Kapazitätsschwankungen durch Lageänderung der Elektroden eintreten.
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An Stelle der beiden Instrumente 8, 13
kann auch ein einziger
Strommesser in Verbindung mit einem Schalter benutzt werden, durch den er wahlweise
in den Stromkreis der Spule i oder 2 gelegt werden kann. Ein weiterer Umschalter
kann dazu benutzt werden, die Empfindlichkeit des Meßinstrumentes 8 zu verändern,
so daß zur Grobeinstellung der Nullstellung ein Bereich geringerer Empfindlichkeit
und zur endgültigen genauen Einstellung der Bereich größter Empfindlichkeit benutzt
werden kann, bzw. es können zwei Instrumente verschiedener Empfindlichkeit wahlweise
eingeschaltet werden.
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Für allgemeine Messungen genügt als Meßinstrunient g ein Telephon,
eine Oszillographenschleife o. dgl. Für besonders feine :1,Iessungen wird jedoch
nach der Erfindung in an sich bekannter Weise ein Vibrationsgalvanoineter benutzt,
das auf die Grundfrequenz des zu messenden Wechselstromes abgestimmt ist. Mit Hilfe
des Telephons gelingt es nämlich nur ein Tonminimum herzustellen, nicht abervollkommeneTonlosigkeit.Dies
hat seinen Grund in Oberschwingungen des Wechselstromes, die praktisch immer vorhanden
sind, da selbst eine rein sinusförmige primäre Wechselspannung durch die
Hysteresis des Transforrnatoreisens verzerrt würde. Da das auf die Grundfrequenz
des Wechselstromes abgestimmteVibrationsgalvanometer die Ströme der Oberfrequenzen
praktisch nicht anzeigt, ist daher bei Anwendung desselben die Nullstellung für
die Grundfrequenz genau feststellbar. Außerdem ist die Empfindlichkeit des Vibrationsgalvanometers
besonders hoch.
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Die praktische Durchführung einer Messung geschieht folgendermaßen:
Die mit dem Leiter i i starr verbundenen Elektroden 3, 4., 5, 6 werden in das Bad
getaucht, und die Primärwicklung des Transformators wird an ein Wechselstromnetz
gelegt. Der Sondenstromkreis wird dann über ein Telephon geschlossen (Abb.5), worauf
dv.r bewegliche Kontakt am Z@ iderstand 7 so lange verschoben wird, bis die Lautstärke
im Telephon ihr Minimum erreicht. Gelingt es Bierbei noch nicht, den Ton ganz zum
Verschwinden zu bringen, so wird mit Hilfe der Widerstände 12 und 1q. die Belastung
und Streuung der Transformatorwicklungen unter ständigem -N achregulieren des beweglichen
Kontaktes am 'Widerstand 7 so lange in der Richtung beeinflußt, in der das eingestellte
L.autstärkemninimum schärfer wird, bis der Ton nicht weiter geschwächt werden kann.
Nun schaltet man an Stelle des Telephons das Vibrationsgalvanometer ein und führt
die Messung in der angegebenen Art zu Ende. Darauf liest man die Stromstärke J1
im Badstromkreis und J; im Widerstand 7 sowie den Wert r des abgegriffenen Teiles
vom Widerstand 7 ab und erhält den zwischen den Sonden wirksamen Widerstand x als
Ouotienten
Da der Wert x. für eine Flüssigkeit der Leitfähigkeit i infolge der durch die Anordnung
der Elektroden innerhalb eines umgebenden Leiters i i eine konstante ist, ergibt
sich die Leitfähigkeit der untersuchten Flüssigkeit zu
Abb.5 zeigt eine Schaltung, bei der jede Ablesung von Stromstärken fortfällt. In
den Badstromkreis ist ein fester Widerstand R von bekannter Größe eingeschaltet.
Ein Umschalter 17 gestattet, wahlweise die Spannung zwischen den Sonden 5, 6 und
die am Widerstand R mit der am Widerstand 7 abgegriffenen Spannung zu vergleichen.
Ein zweiter Umschalter 16 dient dazu, wahlweise ein Telephon I und ein Vibrationsgalvanometer
V zur Prüfung der Stromlosigkeit zu
benutzen. Bei dieser Schaltung
werden lediglich Widerstände miteinander verglichen. Der ° Widerstand 7 kann beliebig
ausgeführt sein. Wird er als Schleifdrahtwiderstand hergestellt, so ist der abgegriffene
Widerstand direkt proportional der abgegriffenen Strecke.