DE549980C - Verfahren und Einrichtung zum Messen des Widerstandes von Elektrolyten - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zum Messen des Widerstandes von Elektrolyten

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DE549980C
DE549980C DEH118837D DEH0118837D DE549980C DE 549980 C DE549980 C DE 549980C DE H118837 D DEH118837 D DE H118837D DE H0118837 D DEH0118837 D DE H0118837D DE 549980 C DE549980 C DE 549980C
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/045Circuits

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung besteht außerdem noch in der Schaffung von für die Messung von Flüssigkeitswiderständen besonders geeigneten Kompensationsschaltungen.
  • 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.
  • 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.
  • Bei der beschriebenen Anordnung ist es von Nachteil, daß es sehr schwierig ist, in beiden Sonden gleichzeitig Stromlosigkeit zu erreichen.
  • 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.
  • 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.
  • 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..
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (5)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren und Einrichtung zum Messen des Widerstandes von Elektrolyten unter Verwendung von vier Elektroden, von denen zwei zur Stromzuführung und zwei als Spannungssonden dienen, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden mit einem an sich bekannten, die Elektroden umgebenden durchbrochenen Leiter mechanisch starr verbunden sind und daß die Spannung an den Spannungssonden durch Kompensation gemessen wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonden mit einem von der Badstromquelle galva nisch getrennten Kompensationsspannungserzeuger verbunden sind.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsspannung und der Badstrom in galvanisch voneinander getrennten Transformatorwicklungen durch den gleichen Wechselfluß erzeugt werden. q..
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die als Kompensationsspannungsquelle dienende Transformatorwicklung einen Spannungsteiler speist und daß die Stromstärken im Badstromkreis und Spannungsteilerkreis und die Spannungsabgriffe am Spannungsteiler so einreguliert werden, daß die Kompensationsspannung in Phase mit der Sondenspannung ist.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß bei Messung mittels Wechselstromes die Stromlosigkeit der Sondenleitungen in an sich bekannter Weise durch ein auf die Grundfrequenz des Meßwechselstromes abgestimmtes Vibrationsgalvanometer geprüft wird.
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