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Einrichtung zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit von Flüssigkeiten
unter Berücksichtigung der Temperatur der Flüssigkeit Die Erfindung betrifft eine
Einrichtung zur Kompensation der Temperatureinflüsse bei Messungen der elektrischen
Leitfähigkeit, insbesondere von Salzlösungen. Es sind zu diesem Zweck Schaltungen
angewandt worden, bei denen ein einziges Thermometer zur Kompensation benutzt wird.
Diese zeichnen sich dadurch aus, daß am Skalenanfangspunkt und bei einem bestimmten
Salzgehalt eine völlige Temperaturkompensation erreicht wird.
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Dagegen ergeben sich an den Zwischenpunkten und bei höheren Salzgehalten
verhältnismäßig große Fehler. Diese Fehler sind bei einer anderen Kompensationsschaltung,
bei der bei zwei verschiedenen Salzgehalten mit Hilfe von zwei Thermometern die
Kompensation genau durchgeftihrt wird, geringer; es ist dann aber die Kompensation
am Skalenanfangspunkt sowie am Ende des Meßbereichs sehr schlecht.
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Die Wirkungsweise dieser Temperaturkompensationsschaltungen beruht
darauf, daß der Gesamtwiderstand, der sich aus dem Widerstand des Elektrolyten,
einem Nebenwiderstandund einem Thermometeviderstand zusammensetzt, für eine oder
zwei Konzentrationen bei zwei verschiedenen Temperaturen dieselbe Größe annimmt.
Bei diesen Messungen handelt es sich also um einfache Widerstandsmessungen. Die
Fehlerkurven haben parabel- oder hyperbelfirmige Gestalt, wenn man mit der Konzentration
als Parameter den Fehler als Ordinate über der Temperatur aufträgt.
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Eine andere Temperaturkompensationsschaltung beruht darauf, daß in
einer Differenzmeßschaltung die eine Spule des Differenzgalvanometers von dem vom
Elektrolyteu durchflossenen Strom und die zweite Spule von einem Strom durchflossen
wird, der vom Elektrolytstrom und der jeweils herrschenden Temperatur des Elektrolyten
beeinflußt wird.
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Diese Schaltung beseitigt zwar die Mängel der oben besprochenen Ein-
bzw. Zweipunktkompensationsmeßanordnungen, indem sie bessere Fehlerkurven liefert;
sie hat jedoch den Nachteil, daß sie stets ein Differentialgalvanometer erfordert.
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Gemäß der Erfindung wird dieser Nachteil dadurch vermieden, daß zwei
Meßkreise vorgesehen sind, von denen der eine den Elektrolyten und der andere einen
temperaturempfindlichen
Widerstand enthält, und daß die aus den
beiden Meßkreisen abgeleiteten Meßströme auf eine Quotientenmeßanordnung einwirken,
wobei der Temperaturmeßkreis derart ausgebildet ist, daß der Meßstrom dieses Kreises
für die Temperatur gleich Null wird, bei der sich die Annäherungsgeraden der Leitfähigkeits-
oder Widerstandstemperaturkurven schneiden.
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Will man Quotientenschaltungen vermeiden und insbesondere einfache
Drehspulmeßwerke statt Kreuzspulmeßwerke verwenden, bei denen man bekanntlich eine
höhere Empfindlichkeit erreicht, so ist es gemäß der Erfindung auch möglich, den
durch den Elektrolyten beeinflußten Stromkreis mit einem einen temperaturempfindlichen
Widerstand enthaltenden Meßkreis so zusammenzuschalten, daß die Anzeige des Produktes
der Meßströme durch das in der Temperaturmeßschaltung liegende Instrument erfolgt,
wobei der Temperaturkreis derart auszubilden ist, daß der Meßstrom für die Temperatur
gleich Null wird, bei der sich die Näherungsgeraden der Leitfähigkeits- und Widerstandstemperaturkurven
schneiden.
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Das Meßverfahren ergibt sich aus folgenden Überlegungen: Trägt man,
wie Abb. 1 der Zeichnung veranschaulicht, Linien gleichen Salzgehaltes in Abhängigkeit
von der Temperatur t und dem Widerstand R der Lösung auf, so ergeben sich für die
verschiedenen Salzgehalte Kurvenscharen, die sich bei Verlängerung ungefähr in einem
Punkt schneiden. Es ergibt sich gemäß der linken Darstellung in Abb. I: R - a tg
α = f (Salzgehalt) = , b - t wobei a den Abstand des Schnittpunktes von der
Abszissenachse und b von der Ordinatenachse bedeuten. Ist wie z. B. im allgemeinen
hei der Messung des Salzgehaltes von Kondensaten der Abstand a des Schnittpunktes
von der Abzissenachse klein gegen b, so ist R tg α = f (Salzgehalt) = . b
- t Nach diesen Gleichungen ist es also mittels eines beliebigen Quotientenmeßgerätes
oder mit anderen bekannten Quotientenmeßschaltungen möglich, eine Temperaturkompensation
zu erreichen.
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Oft ist es auch zweckmäßig, statt des Widerstandes die ihm umgekehrt
proportionale Leitfähigkeit zur Messung des Salzgehaltes heranzuziehen, d.h. Meßschaltungen
zu verwenden, die nicht einen dem Widerstand entsprechenden, sondern einen der Leitfähigkeit
entsprechenden NIeßstrom liefern. Trägt man gemäß Abb. 2 Linien gleichen Salzgehaltes
in Abhängigkeit von der Temperatur und der Leitfähigkeit R auf, so ergibt sich analog
die Beziehung @ tg α = f (Salzgehalt) =
fst a klein gegen h, so erhält man tg CL = f (Salzgehalt)
Auch Idiese Funktionen lassen sich mittels beliebiger Quotientenmeßgeräte und Quotientenmeßschaltungen
ermitteln.
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Den Wert R bzw. R - a kann man gemäß dem Schaltungsbeispiel nach
Abb. 3 z. B. durch den Diagonalstrom in einer Wheatstoneschen Brücke darstellen,
in der man in den einen Zweig der Brücke parallel zum Elektrodengefäß E einen Widerstand
m legt. Nach Abb. 3 sind weiter die Elektrode E und ein Widerstandsthermometer W
t in je eine Brücke B1 und B2 eingeschaltet, die beide ein Kreuzspulmeßgerät M über
Schwinggleichrichter g beeinflussen. Die Temperaturmeßbrücke wird voraussetzungsgemäß
so abgeglichen, daß der Diagonalstrom für die Temperatur gleich Null wird, bei der
der Schnittpunkt der Leitfähigkeitsgeraden gemäß Abb. 2 liegt. Ein Transformator
Tr dient zum Anschluß an die Stromquelle.
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Man kann aber gemäß dem Schaltungsbeispiel der Abb. 4 die Funktion'
auch durch eine andere Schaltung darstellen. Hier ist das Elektrodengefäß E mit
dem parallel geschalteten Widerstand 111 möglichst kleinen Widerstandes unmittelbar
an einen Transformator Tr angeschlossen. Der über den Elektrolyten verlaufende Strom
wird mittels eines Transformators tr über einen Gleichrichter g auf die eine Spule
des Kreuzspulinstrumentes 112 übertragen. Die zweite Spule des Meßgerätes wird wie
bei der Anordnung nach Abb. 3 über eine Brücke B ,durch den Thermometerwiderstand
Wt beeinflußt.
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Sowohl durch die Größe des Parallelwi-derstandes m zum Elektrolyten
wie auch durch geeignete Wahl der andern Brückenwiderstände läßt sich die Skalencharakteristik
des Meßgerätes weitgehend beeinflußen. Auch kann der Meßbereich in bekannter Weise,
z.B. durch die Wahl der Brückenwiderstände, beliebig hinsichtlich Skalenanfang und
-enide gezählt werden.
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Während in den beiden Beispielen ein hreuzspulmeßwerk in Verbindung
mit Schwinggleichrichtern oder Trockengleichrichtern zur
Verwendung
gelangt, können zweckentsprechend auch alle anderen Quotientenmesser bzw. Gleichrichter
verwendet werden, oder es kann die Darstellung auch ohne Gleichrichter mit Wechselstromquotientenmeßgeräten
erfolgen.
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An Stelle von Widerstandsthermometern mit positivem Temperaturkoeffizienten
lassen sich in derartigen Schaltungen auch Wildlerstandsthermometer mit negativem
Temperaturkoeffidienten, z. B. FlüsJsigkeitswiderstänlde oder solche aus Urandioxyd
oder Kupferoxydul, benutzen. Derartige Thermometer haben einen Gang des Temperaturkoeffizienten
mit der Temperatur. Deshallb läßt sich mit diesen, eventuell unter Verwendung von
Vor- oder Nebenwiderständen zum Thermometer, eine weitere Genauigkeitssteigerung
des Meßergebnisses erzielen, da so die Krümmung der Kurven berücksichtigt werden
kann.
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In manchen Fällen weisen jedoch die Näherungsgeraden eine andere
Lage auf als die, die den bisherigen Beispielen zugrunde gelegt sind, wobei sich
dann die Kurven nicht mehr in einem Schnittpunkt schneiden. Dieser Fall ist in Abb.
5 dargestellt. Die erfindungsgemäße Temperaturkompensation läßt sich auch hier durchführen,
wenn man gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung in dem Temperaturmeßkreis oder
in dem Elektrolytmeßkreis einen in seiner Größe vom Salzgehalt abhängigen Widerstand
vorsieht, dessen Wirkung einer solchen Parallelverschiebung der Näherungsgeraden
entspricht, daß sie sich in einem gemeinsamen Schnittpunkt bei einer Temperatur
schneiden, in Idem der Strom der Temperaturmeßordnung Null wird. Aus Abb. 5 ist
zu ersehen, daß sich dann der Salzgehalt auf Grund der Formel
| I = Ra |
| tg CL f t + b + f (Salzgehalt) |
oder bei Vernachlässigung der Größe a analog den frühenen Vereinfachungen gemäß
der Gleichung
| R |
| tg a = f (Salzgehalt) = t + b + f (Salzgehalt) |
darstellen läßt.
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Abb. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine solche verbesserte
Temperaturkompensation. Die Darstellung dies Ouotienten erfolgt hierbei nach zudem
Kompensationsprinzip in einer Doppelbrückenschaltung. Durch Einstellung des Spannungsteilers
Pl läßt sich mit Hilfe des Nullinstrumentes O der Quotient und damit der Salzgehalt
bestimmen. Bei dieser Schaltung kann man nun mit einem Doppelspannungsteiler Pl,
P2, hei dem der zweite Spannungsteiler P2 in die Temperaturmeßbrücke eingebaut und
mit dem ersten Spannungsteller Pl zwangsläufig gekuppelt ist, eine außerordentlich
genaue Kompensation erzielen, da der Spannungsteiler P die oben beschriebene Parallelverschiebung
der Näherungsgeratien bewirkt. Die Gleichrichter g können wieder Schwinggleichrichter
oder sonstiger Art sein. Es können auch Wechselstromnullgalvanometer verwendet werden.
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Das angeführte Beispiel zeigt nur eine Möglichkeit dieser verbesserten
Kompensationseinrichtung. Anstatt den Bezugspunkt auf der Abszisse zu wählen, kann
er auch auf die Ordinate oder eine zu ihr parallel laufende Gerade gelegt werden.
Die Abhängigkeit von der Konzentration läßt sich dann z. B. durch Einbau des zweiten
Potentiometers in die den Elektrolytwiderstand enthaltende Brücke berücksichtigen.
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Wie oben bereits ausgeführt wurde, kann an die Stelle einer Quotientenmessung
auch die Darstellung eines Produktes treten. Man kann nämlich die obengenannten
Gleichungen f (Salzgehalt) = R bzw.
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1/R f (Salzgehalt) = b + t umwandeln in die Gleichungen fl (Salzgehalt)
= R @ (b - t) bzw. f1 (Salzgehalt) = R # (b + t).
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In ähnlicher Weise können auch die übrigen genannten Gleichungen
umgewandelt werden.
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Zu berücksichtigen ist hierbei jedoch, daß umgekehrt wie bei den Quotientenverfahren
hierbei der Schnittpunkt nach Abb. I gilt, wenn die den Elektrolyten enthaltende
Schaltung einen Meßstrom liefert, der der Leitfähigkeit proportional ist, während
bei Schaltungen mit dem Charakter einer Wiiderstandsinessung der Schnittpunkt nach
Abb. 2 gilt.
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Eine derartige Schaltung hat den Vorteil, daß man zur Wiedergabe
des Produkts ein einfaches Drehspulgalvanometer verwenden kann, welches sich durch
besonders hohe Meßempfindlichkeit bei geringem Preis auszeichnet. Ein Ausführungsbeispiel
ist in Abb. 7 dargestellt.
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Die Darstellung des Produktes erfolgt dabei zweckmäßig in einer Doppelbrückenschaltung
derart, daß der von einem Konstanthalter K fließende Strom die den Elektrolyten
enthaltende Brücke durchfließt und daß dessen
Diagonalstrom durch
die Temperaturmeßbrücke geht, welche wiederum so abgeglichen ist, daß der Strom
in ihrer Brückendiagonale für die Temperatur gleich Null wird, bei der sich die
Näherungsgeraden der Leitfähigkeits-oder Widerstandstemperaturkurven schneiden.
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Es sind jedoch auch alle übrigen Produkte ergebenden Anordnungen verwendbar.
Es ist selbstverständlich, daß hinsichtlich der Ausgestaltung dieses Produktenverfahrens
alles, was für das Ouotientenmeßverfahren im einzelnen ausgeführt wurde, sinngemäß
auf dieses übertragen werden kann. Auch das Kompensationsverfahren mit Doppelspannungsteiler
zur Verbesserung der Temperaturkompensation läßt sich hier anwenden. Um bei den
Produktverfahren unabhängig von Spannungsänderungen zu sein, können statt Spannungs-
oder Stromkonstanthalteeinrichtungen auch spannungsunabhängige Meßgeräte in bekannter
Anordnung vorgesehen werden.