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Anordnung zur Messung, Registrierung oder Regelung der Leitfähigkeit
von Flüssigkeiten mittels einer von Gleichstrom, gespeisten Meßeinrichtung, bei
der die Messung der Leitfähigkeit selbst mit Wechselstrom oder gewendetem Gleichstrom
erfolgt Die zu Zwecken der Wasseruntersuchung u. dgl. ausgebildeten Leitfähigkeitsmeßgeräte
für fortlaufende Messungen benutzen als Stromduelle entweder Wechselstrom oder in
selteneren Fällen auch Gleichstrom. Bei Benutzung von Wechselstrom ist die Anlage
immer an das örtlich vorhandene Stromnetz gebunden, so daß bei Ausfall desselben
auch eine Wasseruntersuchung, die -unter Umständen lebenswichtig sein kann, nicht
mehr möglich ist. Verwendet man Gleichstrom, so können die Messungen zwar unabhängig
vom Netz ausgeführt werden, und zwar durch Benutzung eines Trockenelementes oder
einer Akkurnulatorenbatterie, doch haben derartige Messungen den Nachteil, daß an
den Elektroden Zersetzungserscheinungen und Polarisationsspannungen auftreten, welche
besonders bei Messungen an stehenden Wässern die Meßgenauigkeit erheblich beeinträchtigen.
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Man müßte also zwecks Erzielung einer hohen Meßgenauigkeit und außerdem
einer Unabhängigkeit vom Netz ein Verfahren anwenden, bei dem das Meßgerät von einer
Trockenbatterie o. dgl. gespeist, die eigentliche Messung aber mit Wechselstrom
ausgeführt wird. Gerade auf Schiffen wird häufig die Forderung nach derartigen Einrichtungen
erhoben, welche eine hohe Meßgenauiglceit aufweisen und unabhängig vom Bordnetz
sind, cla gerade dort infolge des hohen Salzgehaltes des Seewassers, welches bei
Undichtigkeiten der Kondensatoren in das Kondensat und damit in das Kesselspeisewasser
gelangen kann, die Gefahr einer unzulässigen Verunreinigung, d. h. Verminderung
der Betriebssicherheit, besonders groß ist und deshalb ein von allen Zufälligkeiten
unabhängiges Gerät verlangt wird. Diese Forderung läßt sich gemäß der Erfindung
mit einem Instrument erfüllen, das aus zwei über ein Differentialgetriebe mit Anzeigevorrichtung
verbundenen Gleichstrotnmotoren und einer beide Motoren auf gleicher Drehzahl haltenden
Regelvorrichtung besteht, wobei mit einem der beiden Motoren ein Wechselstromgenerator
oder ein Stromwender verbunden ist, der auf diese Weise einen besonderen Antrieb
nicht mehr nötig hat. Dabei kann trotz ausreichender Richtkraft des Instrumentes
die Stromaufnahme klein genug gehalten werden, um mit einer
kleinen
Batterie wochen- oder monatelang ununterbrochene Dauermessungen wartungsfrei auszuführen.
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Zur Speisung von Wechselstrominstrumenten mit Gleichstrom sind oft
Umformer verwendet worden, die als Einankerumformer oder Motorgeneratoren gebaut
werden. Solche Umformer können aber erfahrungsgemäß nicht in allzu kleinen Einheiten
betriebssicher ausgeführt werden, benötigen also zur Speisung ein Gleichstromnetz
und laufen außerdem nicht längere Zeit wartungsfrei und vermögen nicht den gestellten
Ansprüchen zu genügen.
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Es sind auch Geräte bekanntgeworden, bei denen zur Messung von Leitfähigkeiten
gewendeter Gleichstrom benutzt wird, den man einer kleinen Batterie entnehmen kann.
Solche Einrichtungen, z. B. der Tödtsche Aschenbestimmer für Zuckersäfte, benötigen
aber für ununterbrochene Messungen einen besonderen motorischen Antrieb für den
Stromwender, der bei diesen Einrichtungen nur eine zusätzliche Belastung der Stromquelle
darstellt. Auch ein derartiges Gerät erfüllt die gestellten Forderungen nicht.
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Ferner ist eine Einrichtung zur Messung von Widerständen bekanntgeworden,
bei der ein Wechselstromgenerator seine Drehzahl mit der Belastung durch den zu
messenden Widerstand ändert. Die nach Art eines Fliehkraftreglers gebaute Drehzahl-
(Widerstands-) Anzeigevorrichtung erlaubt jedoch nur sehr grobe Messungen wie beim
Kurbelinduktor, mit dem dieses Gerät auch schon wegen seines Antriebes große Ähnlichkeit
hat. Solche Geräte sind nur für kurzzeitige Messungen ohne genügende Meßgenauigkeit
brauchbar und werden den oben gestellten Anforderungen auch nicht gerecht.
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Es ist an sich auch. schon bekannt, durch eine automatische Regeleinrichtung
die Drehzahlunterschiede zweier mit einem Differentialgetriebe verbundener Zählersysteme
auszugleichen. Es handelt sich jedoch hierbei um die Wiedergabe der Drehgeschwindigkeit
des einen Systems, eines Zählers für Wasser, Gas- oder elektrische Energie, so daß
das eine System ganz verschiedener Bauart sein kann, und als zweites System wird
zweckentsprechend und bewußt ein Ferrariszähler benutzt. Hierbei ist Bedingung,
daß die Drehgeschwindigkeit des einen Systems unbeeinflußt bleibt und nur die des
zweiten Systems der des ersten angepaßt wird. So verschieden wie die Problemstellung
ist auch die Durchbildung dieses Gerätes von der eines erfindungsgemäßen Gerätes:
Hier kann auch die Drehgeschwindigkeit des- ersten (messenden) Systems der Drehzahl
des zweiten angepaßt werden, die nur von der Batterie-Spannung abhängig zu sein
braucht. Die weiteren Unterschiede ergeben sich aus der folgenden Erläuterung der
beiliegenden Zeichnung: In der Abb. i ist eine erfindungsgemäße Meßanordnung schematisch
dargestellt, die den beiden Hauptforderungen nach Unabhängigkeit vom Bordnetz und
nach hoher Meßgenauigkeit gerecht wird. Sie besteht aus zwei Gleichstromzählerscheiben,
die in den Feldern permanenter Magnete als Motoren 1V11, M2 laufen. Diese beiden
Motoren sind durch das Differentialgetriebe D mechanisch verbunden, so daß bei Drehung
der Achsen a1 und a2 mit entgegengesetztem Drehsinn die das Kegelräderpaar r3, r.
tragende Achse a3 nur dann gedreht wird, wenn die Motoren 11.11 und 11T2 und damit
die Räder r1 und r2 ungleiche Drehzahl haben.
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Der Instrumentenanzeiger Z, der auf einer in Leitfähigkeitseinheiten
oder Einheiten der Elektrolytkonzentration geeichten Skala spielt, zeigt die jeweilige
Bürstenstellung all. Die Achse a3 bewegt die Schleifbürste B auf dem walzenförmig
gewickelten Regelwiderstand T und ist über .die Feder F mit der elektrischen Schaltung
verbunden.
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Auf der Achse des Motors 111x sitzt ein Wechselstromgenerator G, der
über Schleifringe durch die Eleletroden E (s. Abb. a) einen Strom schickt, der von
der Leitfähigkeit des Elektrolyten abhängig ist. Der Generator bzw. dessen Belastung
erzeugt also ein Bremsmoment am Motor tVIi. Die Dämpfung des Motors M2 erfolgt .durch
die Wirbelstrombremse S.
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Die Arbeitsweise dieser Einrichtung wird am besten an Hand des Schaltbildes
Abb. a verständlich. Der Motor 11.72 ist über einen Einstellwiderstand R an die
Batterie A angeschlossen und läuft mit einer Drehzahl, die nur von der Batteriespannung
abhängt. Der Motor IvI1 erhält seine Spannung über die Bürste B vom Spannungsteiler
T. Ändert sich nun die Konzentration des Elektrolyten E, so ändert sich das
Bremsmoment des Generators G und damit die Drehzahl des Motors 11,
. Da nun die Drehzahlen der Räder r1 und r2 in Abb. i ungleich geworden sind,
wird die Achse ah so weit gedreht, bis die Bürste B am Spannungsteiler
T diejenige Spannung abgegriffen hat, bei der der Motor M1 wieder mit der
gleichen Drehzahl wie 312 läuft. Der mit der Bürste B verdrehte Zeiger Z zeigt nun
den der Veränderung des Elektrolyten entsprechenden Skalenwert an.
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Ändert sich die Spannung, z. B. durch zunehmende Erschöpfung der Batterie,
während die Konzentration des Elektrolyten konstant bleibt, so ändern sich beide
Motordrehzahlen gleichmäßig, so daß die Zeigerachse a3 nicht
gedreht
wird; die Anzeige ist somit spannungsunabhängig, und das ist ein besonderer Vorteil
der erfindungsgemäßen Anordnung.
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Als weiterer Vorteil ist hervorzuheben, daß die das Meßsystem bildenden
Motoren 1l11 und 111. keine ruhende Reibung aufweisen. Ruhende Reibung hat nur die
Achse a3 mit Bürste B und Zeiger Z, deren träge Masse äußerst klein gehalten werden
können.
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Statt des Wechselstromgenerators G kann auf der Achse des Motors 1171
auch ein Stromwender befestigt sein, der mit dem Elektrolyten E und der Wicklung
des Motors M1 einen elektrischen Stromkreis bildet, wie dieses aus Abb.3 hervorgeht.
Der Stromwender K wendet die Richtung des Elektrolytstromes bei jeder Umdrehung
zwei oder mehrmals, so daß. bei ausreichender Frequenz des gewendeten Gleichstromes
keine Polarisation an den Elektroden auftreten kann. Der Elektrolyt ist nun Vorwiderstand
zum Motor Ib11 geworden, wodurch sich aber an der Wirkungsweise der Einrichtung
nichts ändert; allerdings muß auch Motor M1 jetzt eine Wirbelstrombremse erhalten.
Der Strom in E ist konstant, da er in M1 durch Drehung der Bürste B konstant gehalten
wird.
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Während in Abb. z und 3 der Walzenwiderstand T als Spannungsteiler
benutzt wurde, können bestimmte Anforderungen an den Skalencharakter oder sonstige
Umstände es notwendig machen, ihn als Stromteiler zu schalten.
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Eine solche Schaltung zeigt Abb. 4, die im Prinzip mit Abb. 3 übereinstimmt.
Der wesentliche Unterschied gegenüber der Anordnung nach Abb. 3 liegt darin, daß
Motor 1V12 nicht mit konstanter, .d. h. nur von der Batteriespannung abhängiger
Drehzahl läuft, sondern daß .diese wie auch die Drehzahl von JII mit steigender
Konzentration des Elektrolyten zunimmt. Das bedingt bei höheren Konzentrationen
eine höhere Frequenz des gewendeten Gleichstromes oder, wenn ein getrennter Generator
nach Abb. z oder 5 benutzt wird, eine höhere Frequenz des erzeugten Wechselstromes,
eine Tatsache, die als meßtechnischer Vorteil anerkannt ist.
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Abb. 5 zeigt eine Schaltung, die als Reflexschaltung bezeichnet werden
kann; auch hier ist der Walzenwiderstand als Stromteiler geschaltet. Es wird ein
Generator benutzt, dessen Klemmenspannung durch einen Wandler Il' auf eine dem Elektrolyten
angepaßte Spannung gebracht wird. Der durch den Elektrolyten fließende Strom wird
am Gleichrichter G1 in Gleichstrom umgewandelt und der Strornteilerschaltungüberlagert.
Diese Schaltung zeichnet sich durch besondere Meßempfindlichkeit aus, da der überlagerte
Meßkreisstrom den Motor iiI2 schneller, den durch die Generatorbelastung ohnehin
gebremsten Motor M, dagegen noch langsamer laufen lassen will, so daß eine größere
Verstellung des Stromteilers nötig ist, um die beiden Motordrehzahlen gleich groß
zu machen, und ein größerer Zeigerausschlag bei sonst gleichen Verhältnissen verfügbar
wird.
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Mit den erläuterten Beispielen sind die Möglichkeiten der Verwendung
oder weiteren Verfeinerung der Erfindung noch nicht erschöpft. So kann zwecks Vermeidung
der Bürstenreibung statt des Walzenwiderstandes ein Ringrohrfernsender benutzt werden.
Das Instrument kann auch als Registrier-oder Regelgerät gebaut werden, wobei die
Papierbewegung beim Registrierer oder die Impulsgabe beim Regler durch Uhrwerk betätigt
werden, so daß der Vorteil der Unabhängigkeit von fremden Stromnetzen gewahrt bleibt.
Meßfehler durch Temperaturänderungen können auch in den erfindungsgemäßen Anordnungen
durch einen der bekannten Schaltungskunstgriffe vermieden werden. Durch Verwendung
zweckentsprechender Konstruktionsteile kann der Stromverbrauch bei genügenden Drehmomenten
so niedrig gehalten werden, .daß normale Kleinbatterien zur Speisung über längere
Zeiträume hinweg ausreichen, so daß auch'die Wirtschaftlichkeit. der erfindungsgemäßen
Anordnungen sichergestellt ist. .