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Einrichtung zur Prüfung und selbsttätigen Regelung der chemischen
Beschaffenheit von Elektrölyten durch elektrische Widerstandsmessung . Bei der.
Prüfung und selbsttätigen Regelung der chemischen Beschaffenheit von elektrolytischen
Lösungen durch elektrische Widerstandsmessung handelt es sich um die Aufgabe, den
Einfluß der Elektrolyttemperatur zu berücksichtigen, da der Widerstand eines Elektrolyten-außer
von der Konzentration in starkem Maße von der Temperatur abhängig ist. Dieser Widerstand
wird bekanntlich pro Grad Celsius Temperaturzunahme um etwa a bis 3 0fo kleiner.
Man kann daher in manchen Fällen so vorgehen, daß man neben `der elektrischen Widerstandsmessung
noch eine Temperaturmessung ausführt und unter Zuhilfenahme von Zahlentabellen oder
Kurvenblättern .die gemessenen Widerstandswerte korrigiert. Ein solches Verfahren
ist aber umständlich und zeitraubend, besonders wenn der zu kontrollierende chemische
Vorgang durch , ein Schreibgerät fortlaufend registriert oder durch eine selbsttätig
wirkende Regelvorrichtung auf einen konstanten Sollzustand geregelt werden soll.
Aus diesem Grunde ist bereits versucht worden, den Einfluß der Elektrolyttemperatur
durch eine besondere Temperaturkompensationsschaltung bei der Widerstandsmessung
von vornherein auszuschalten. Eine derartige Kompensationsanordnung besteht z. B.
darin, daß man parallel zu. dem Elektrolyten und vor diesen je einen Widerstand
von geeigneter Größe und geeignetem Temperaturkoeffizienten schaltet. Man erhält
dann eine Kombination, deren Gesamtwiderstand innerhalb bestimmter Konzentrations-
und Temperaturgrenzen als Maß für die Konzentration dienen kann, da der Einfluß
der Elektrolyttemperatur mehr oder weniger genau ausgeglichen ist. Die praktische
Durchführung dieser Methode führt aber zu gewissen meßtechnischen Schwierigkeiten,
die hauptsächlich darin liegen, daß die zum Betrieb des elektrischen Widerstandsmeßgerätes
zur Verfügung stehende Energie infolge der kraftverzehrenden Wirkung der gekennzeichneten
Kompensationsschaltung in sehr vielen Fällen so gering ist, daß eine einwandfreie
Messung nicht mehr möglich ist.
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Es sind auch Einrichtungen für.Elelirtrölytmessungen bekanntgewarden,
bei. denen auf das bewegliche Organ des zur Widerstandsmessung vorgesehenen elektrischen
Meßgerätes mehrere Spulen oder Spulengruppen einwirken, von denen eine Spule oder
Spulengruppe von einem oder mehreren dem Elektrolytstrom proportionalen. Strömen
durchflossen wird, während gleichzeitig eine andere Spule oder Spulengruppe von
einem oder mehreren Strömen durchflossen wird, dessen bzw. deren Einwirkung den
Einfluß von Temperaturschwankungen des Elektrolyten auf das Meßergebnis kompensiert.
Ferner ist es bekannt, bei Elektrolytmessungen zum: Zwecke der Temperaturkompensation
des Elektrolyten eine Brückenschaltung vorzusehen,
in deren Zweigen
sowohl der Elektrolyt als auch ein der Elektrolyttemperatur ausgesetzter temperaturabhängiger
Widerstand (Widerstandsthermometer) angeordnet ist, wobei der die eine Teilspule
des Widerstandsmeßgerätes durchfließende Meßstrom (Diagonalstrom der Brücke) dem
Elektrolytstrom bzw. dem Elektrolytwiderstand angenähert proportional ist.
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Diese bekannten Anordnungen zur Kompensation des Einflusses der Elektrolyttemperatur
haben alle den grundsätzlichen Nachteil, daß die Veränderlichkeit der Konzentration
des Elektrolyten in der Temperaturkompensation nur in verhältnismäßig engen Grenzen
berücksichtigt wird, da diese Kompensation tatsächlich nur in einem bzw. zwei Punkten
des Konzentrationsmeßbereichs richtig ist. je größer die zu erfassenden Konzentrations-
und Temperaturbereiche sind, desto größer werden die außerhalb dieser Punkte auftretenden
Abweichungen, die praktisch als Meßfehlcr in Erscheinung treten. In dem besonderen
Fall, daß der Elektrolyt -die Leitfähigkeit 1\7u11 hat, d. h. reines Destillat darstellt,
zeigt das Widerstandsmeßgerät irgendeinen lediglich von der Elektrolytteinperatur
abhängigen Ausschlag, der einen der Wirklichkeit nicht entsprechenden Konzentrationszustand
vortäuschen kann.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine einfache und - besonders
zweckmäßige Einrichtung zur Prüfung und selbsttätigen Regelung der chemischen Beschaffenheit
von Elektrolyten durch elektrische Widerstandsmessung, bei der die Berücksichtigung
der Elektrolyttemperatur unter Vermeidung der obenerwähnten Nachteile erfolgt. Bei
dieser Einrichtung ist wie bei den bekannten Einrichtungen ein elektrisches Widerstandsmeßgerät
vorgesehen, auf dessen bewegliches Organ mehrere Spulen oder Spulengruppen einwirken;
von denen eine Spule oder Spulengruppe von einem oder mehreren dem Flektrolytstrom
proportionalen Strömen - durchflossen wird, während gleichzeitig eine andere Spüle
oder Spulengruppe von einem oder mehreren Strömen durchflossen wird, dessen bzw.
deren Einwirkung den Einfluß von Schwankungen der Elektrolyttemperatur auf 'das
Meßergebnis kompensiert.
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Das Wesen der Erfindung ist demgegenüber darin zu erblicken, daß diejenige
Spule oder Spulengruppe, deren Einwirkung den Einfluß-von Schwankungen der Elektrolyttemperatur
kompensiert, von einem oder mehreren Strömen durchflossen wird, dessen bzw. deren
Einwirkung dem Produkt aus dem Elektrolytstrom (J) und dem Unterschied zwischen
einer Bezugstemperatur (to) und der jeweilig herrschenden Temperatur (t",) des Elektro-Iy
ten proportional oder angenähert proportional ist. Hierdurch wird der sehr wesentliche
technische Fortschritt erreicht, daß die der Temperaturänderung des Elektrolyten
entsprechende Ausschlagsänderung des Widerstandsmeßgerätes nicht nur der Abweichung
der jeweiligen Elektrolyttemperatur (t,") von der für die Eichung zugrunde gelegten
Bezugstemperatur (to), sondern auch noch - dies ist ganz besonders wichtig - dem
Elektrolytstrom (J ) proportional ist. Geht z. B. der Elektrolytstrom auf die Hälfte
herunter, so sinkt auch die derTemperaturänderung (t",-to) des Elektrolyten entsprechende
Ausschlagsänderung des Widerstandsmeßgerätes auf die Hälfte, wenn diese Temperaturänderung
konstant ist. ..
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Setzt man voraus, daß die Abhängigkeit der Leitfähigkeit der in der
Praxis v orkonimenden schwach gesättigten Elektrolyte von dem Salzgehalt sehr stark
angenähert einem linearen Gesetz folgt, und daß der Temperaturkoeffizient von der
Konzentration des Elektrolyten praktisch unabhängig ist -diese beiden Voraussetzungen
sind bekanntlich in den meisten Fällen erfüllt -, so kann die elektrische Leitfähigkeit
der elektrolytischen Lösung durch eine sehr einfache Gleichung dargestellt werden.
Hat der Elektrolyt bei einer bestimmten, der Eichung des Widerstandsmeßgerätes zugrunde
liegenden Temperatur (Bezugstemperatur) to den Widerstand Ro, so ergibt sich der
für eine von to abweichende Temperatur (Wirktemperatur) t", gültige Widerstand R",
bei den praktisch in Betracht kommenden Temperaturverhältnissen sehr angenähert
aus der Gleichung (a - Temperaturkoeffizient des Elektrolyten) Riv ° Ro ' E
Z - a # (tiv - to) -
Bleibt beispielsweise die Konzentration des Elektrolyten
konstant und steigt seine Temperatur, so erhöht sich auch seine Leitfähigkeit und
täuscht dann infolge der entsprechend größeren Einwirkung auf das zur Widerstands-
bzw. Leitfähigkeitsmessung dienende elektrische Meßgerät eine größere Konzentration
vor, als sie in Wirklichkeit vorhanden ist, wenn man nicht durch irgendeine besondere
Maßnahme diesen Temperatureinfluß berücksichtigt. Würde man z. B. den Elektrolyten
über einen Strommesser von vernachlässigbar kleinem Widerstand an eine künstlich
konstant gehaltene Meßspannung E anschließen, so würde im Strommesser ein Strom
J fließen, welcher der jeweiligen Leitfähigkeit ilR", proportional ist. Die auf
das bewegliche Organ des Strommessers einwirkenden Amperewindungen AW und somit
die Anzeige dieses. Instrumentes würde dann der jeweiligen Leitfähigkeit zjR", entsprechen,
die
nicht nur von der Konzentration, sondern auch von der Temperatur abhängt: AW
= const # J - const # i/RW z -_.-= const Ro# @I-a. (tw-to)j .
Erfindungsgemäß
bestehen nun die auf das bewegliche Organ des Widerstandsmeßgerätes einwirkenden
Amperewindungen aus zwei Komponenten AW, und AW, die folgender Gesetzmäßigkeit entsprechen:
AWi - C, . J und AW, = C2 # J # ä # (t,v -. to),
worin Cl, C2 geeignet bemessene Proportionalitätskonstanten, J den Elektrolytstrom
und ä den zur Kompensation des Elektrolyttempcraturkoeffizienten dienenden Temperaturkoeffizienten
(z. B. eines Widerstandsthermometers) bezeichnen. Die für die Anzeige des Meßgerätes
maßgebenden resultierenden Amperewindungen AW .ergeben sich dann aus der Beziehung
Da; aber J der Leitfähigkeit zlRw proportional ist, so kann man schreiben
Die -für die Anzeige des Widerstandsmeßgerätes maßgebenden resultierenden Amperewindungen
AW sind also der der Bezugstemperatur to - entsprechenden Leitfähigkeit zIIRo stets
proportional und von Schwankungen der Elektr olyttemperatur unabhängig.
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Die der Erfindung entsprechende Einrichtung kann in sehr verschiedener
Weise aufgebaut sein. Steht eine mit Hilfe bekannter Mittel (z. B. Eisendrahtlampen
oder Spannungskonstäntlialtungstransformatoren) künstlich konstant gehaltene Meßspannung
zur Verfügung, so kann als Widerstandsmeßgerät ein Strommesser (z. B. Drehspul-
oder Dreheisenstrommesser) angewendet werden, dessen Meßwerkspule in mehrere Spulen
oder Spulengruppen gemäß der Erfindung unter-, teilt ist. Besonders zweckmäßig ist
es jedoch, um von der Höhe der Meßspannung unabhängig zu werden, einen Quotientenmesser
(z. B. Kreuzspul- oder Dreheisenquotientenmesser) anzuwenden,-dessen Meßwcrkspulen
in mehrere Spulen oder Spulengruppen gemäß der Erfindung unterteilt sind. Benutzt
man ein Wechselstrommeßgerät, so ergibt sich der Vorteil, daß Gleichrichter vermieden
werden. Das Widerstandsmeßgerät kann hier in jedem Falle als Anzeige- oder Schreibgerät
oder als Bestandteil einer selbsttätig arbeitenden Regelvorrichtung ausgebildet
sein.
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In manchen Fällen können erfindungsgemäß außer den beiden die Amperewindungen
ALV, und AW, erzeugenden Spulen oder Spulengruppen noch eine oder mehrere Spulen
oder Spulengruppen vorgesehen werden, die von einem vom Widerstand des Elektrolyten
unabhängigen Strom durchflossen werden. Diese Maßnahme kann z. B. bei Quotentenmessern
Vorteile bringen, insbesondere wenn es sich darum handelt, besonderen Betriebsverhältnissen
angepaßte Meßbereiche (z. B. Meßbereichausschnitte) zu schaffen.
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Die Einwirkung der einzelnen Spulen oder Spulengruppen auf das bewegliche
Organ des Meßgerätes kann in verschiedener Weise erfolgen. Besonders einfach ist
es, dieselben als Meßwerkspulen unmittelbar auf dieses Organ einwirken zu lassen.
Andererseits kann es bisweilen zweckmäßig sein, die einzelnen Spulen oder Spulengruppen
unter Zwischenschaltung eines oder mehrerer Transformatoren auf induktivem Wege
auf das bewegliche Organ des Meßgerätes einwirken zu lassen. Man kann auch so vorgehen,
daß ein Teil der einzelnen Spulen oder Spulengruppen als Meßwerkspule oder als Meßwerkspulen
unmittelbar auf das bewegliche Organ des Meßgerätes einwirkt, während ein anderer
Teil der: Spulen oder Spulengruppen unter Zwischenschaltung eines oder mehrerer
Transformatoren auf induktivem Wege dieses Organ beeinflußt.
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Bezüglich der Schaltweise der zur Anwendung gelangenden Spulen oder
Spulengruppen ist es erfindungsgemäß zweckmäßig, die von einem oder mehreren dem
Elektrolytstrom proportionalen Strömen durchflossene Spule oder Spulengruppe (AWi)
mit dem Elektrolyten in Reihe zu schalten, so daß sie vom gesamten Elektrolytstrom
oder von einem Bruchteil dieses Stromes durchflossen wird. Zur Erzeugung der sowohl
dem Elektrolytstrom als auch dem jeweiligen Temperaturunterschied proportionalen
Stromeinwirkung (AW2) wird erfindungsgemäß eine Brückenschaltung oder eine Differentialschaltung
oder mehrere solcher Schaltungen vorgesehen, die von einem dem Elektrolytstrom proportionalen
Strom durchflossen wird und in deren Zweigen ein oder mehrere der Elektrolyttemperatur
ausgesetzte temperaturabhängige Widerstände (Widerstandsthermometer) angeordnet
sind. Dabei ist es erfindungsgemäß
besonders zweckmäßig, diese Brücken-
oder Differentialschaltungen mit dem Elektrolyten in Reihe zu schalten, so daß sie
vom gesamten Elektrolytstrom oder von einem Teil dieses Stromes durchflossen werden.
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In den beiliegenden Abbildungen sind als Beispiele zwei der Erfindung
entsprechende Einrichtungen schematisch dargestellt, und zwar ist als Widerstandsmeßgerät
bei dem Beispiel nach Abb. r ein Strommesser in Verbindung mit einer künstlich konstant
gehaltenen Meßspannung vorgesehen, während bei dem besonders zweckmäßigen, in Abb.
z wiedergegebenen Beispiel ein spannungsunabhängig arbeitender Wechselstromquotientenmesser
(z. B. Dreheisenquotientenmesser) zur Anwendung gelangt.
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In Abb. z stellt S die auf das bewegliche Organ des Strommessers M
unmittelbar wirkende Meßwerkspule (z. B. Drehspule eines fremderregten eisengeschlossenen
Elektrodynamometers) dar, die in die beiden Teilspulen S1 und S2 unterteilt ist.
Die Spule S1 liegt -im Nebenschluß zu einem Abgleichwiderstand RN und ist mit dem
zu kontrollierenden Elektrolytwiderstand (Elektroden A und B) in Reihe geschaltet,
so daß sie von einem Bruchteil des Elektroly-tstromes J durchflossen wird.
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Die Amperewindungen AWl der Spule S1 sind somit durch die Beziehung
AWl =: Cl - J
gegeben, worin Cl eine Proportionalitätskonstante bedeutet.
Die Spule S2 ist über einen Vorwiderstand RV mit einer vom Elektrolytstrom J durchflossenen
Brückenschaltung verbunden, die aus den der Elektrolyttemperatur t, ausgesetzten
Widerstandsthermometern T', T" und aus den konstanten Vergleichswiderständen R',
R" besteht. Die Amperewindungen AW2 der Spule S= sind somit durch die Beziehung
AW2=C2-T-a.' (t",-to) gegeben, wenn -C2 eine Proportionalitätskonstante, a.' den
Temperaturkoeffizienten der zur Temperaturkompensation dienenden Widerstandsthermometer
T', T" und ta die der Abgleichung und Eichung der Einrichtung zugrunde liegende
Bezugstemperatur bedeuten. Die für die Anzeige des Strom-Messers l.1 maßgebenden
resultierenden Amperewindungen AW der Spule S ergeben sich dann, entsprechend
dem Grundgedanken der Erfindung, aus der Gleichung
In Abb. a sind S1 und S2 die beiden Meßwerkspulen eines zur spannungsunabhängigen
Widerstandsmessung geeigneten Quotienten-Messers O, der z. B. als Dreheisenquotienten=
Messer mit ringförmigem Dreheisen ausgebildet sein kann. Diese Meßwerkspulen sind
mit den Sekundärspulen SN1, SN2 zweier Transformatoren T1, T2 verbunden, und es
sind daher die in den Meßwerkspulen S1, .S_, fließenden Ströme 11, J2 den
auf diese Transformatoren einwirkenden resultierenden Amperewindungen verhältnisgleich.
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In dem dargestellten Beispiel . sind die Spulen SKI, S1;2 über
die festen Vorwiderstände R1, R2 an die Meßspannung E angeschlossen, die hier nicht
konstant zu sein braucht. Die Amperewindungen Slil und SK sind somit von dem im
Elektrolyten fließenden Strom J vollständig unabhängig. Die Amperewindungen AWi
, AWl" der vom Elektrolytstrom J durchflossenen Spulen SDI,, S lr, sind diesem
Strome verhältnisgleich. Die Spulen ST', SV bilden mit dem Widerstandsthermometer
T' und dem festen Vergleichswiderstand RV eine Differentialschaltung; ferner bilden
die Spulen ST ', SV' mit dem Widerstandsthermometer T" und dem Vergleichswiderstand
RV' eine zweite Differentialschaltung. Die beiden Differentialschaltungen werden
vom Elektrolytstrom J durchflossen und erzeugen eine sowohl diesem Strom als auch
dem jeweiligen Temperaturunterschied t", - to proportionale Stromeinwirkung auf
die Transformatoren T1 und T2.
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Der Wicklungssinn der einzelnen Spulen und Spulengruppen ist in der
aus Abb. ä ersichtlichen Weise so gewählt, daß bei steigender Elektrolyttemperatur
die von der Differentialschaltung ST', SV', T', Ry' erzeugten Amperewindungen
(AW.') den Amperewindungen der Spule SMl entgegenwirken; das gleiche gilt . für
die Differentialschaltung ST", Sv", T", RV', so daß.die von dieser Differentialschaltung
erzeugten. Amperewindungen (AW.") den Amperewindungen der Spule S;112 ebenfalls
entgegenwirken. Außerdem ist der Wicklungssinn der einzelnen Spulen und Spulengruppen
der Transformatoren T1, Tr so gewählt, daß die Wirkungen der von denselben erzeugten
resultierenden Amperewindungen sich in bezug auf ihre Einwirkung auf das bewegliche
Organ des Ouotientenmessers 0 unterstützen, um eine möglichst- hohe Empfindlichkeit
der Messung und die erforderliche Einstellsicherheit dieses Instrumentes zu gewährleisten.
Für die Anzeige des Quotientenmessers O ist auch hier gemäß der Erfindung der Ausdruck
AW - AWl - AW2 und somit AW = (AWi'.+AW1") - (AWy' AW2')
maßgebend. Die resultierenden Amperewin-
Jungen AW ergeben sich-hier
ebenfalls aus der bereits obrengenannten und erläuterten Gleichung
Die Erfindung ermöglicht eine sehr genaue und zuverlässige Durchführung von Elektrolytmessungen,
da einerseits das zugrunde liegende Prinzip der Temperaturkompensation theoretisch
einwandfrei ist und da andererseits infolge der günstigen Ausnutzung der zur Verfügung
stehenden Meßenergie verhältnismäßig kraftreiche Meßgeräte für die Widerstandsmessung
benutzt werden können. Dem Erfindungsgegenstand entsprechende Einrichtungen können
in allen Fällen verwendet werden, in denen es sich darum handelt; die Leitfähigkeit
eines Elektrolyten durch elektrische - Widerstandsmessung zu kontrollieren oder
auf einen Sollzustand selbsttätig zu regeln. Die Erfindung hat besondere Bedeutung
für industrielle Messungen (z. B. Bestimmung des Kalkgehaltes von Kesselspeisewasser
u. dgl.), kann aber auch für wissenschaftliche Zwecke wertvolle Anwendung finden.