DE7815730U1 - Vorrichtung zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit von Flüssigkeiten - Google Patents

Description

"^^^-vVorrichtung zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit von Flüssigkeiten"./·

Die Neuerung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen der Leitfähigkeit von Flüssigkeiten durch die Induktion einer Spannung in der Flüssigkeit mit Hilfe einer auf die Flüssigkeit wirkenden Primärspule und durch Messen der erzeugten, von der Leitfähigkeit der Flüssigkeit abhängigen Sekundärspannung über ein an eine Sekundärspule angeschlossenes Meßgerät.

Die Messung der elektrischen Leitfähigkeit dient in der chemischen Meßtechnik vornehmlich dem Zweck des Erzielens eines Aufschlusses über die Zusammensetzung von Flüssigkeiten. Zwei besonders charakteristische Anwendungsbereiche sind die Reinheitskontrolle von Wasser und die Konzentrationsbestimmung von Säuren und Laugen. Zwischen der gemessenen spezifischen Leitfähigkeit und der Konzentration besteht bei verdünnten Lösungen ein linearer

Zusammenhang. Bei höheren Konzentrationen wirken andere Beziehungen, die durch Eichung mit Lösungen bekannter Zusammensetzungen berücksichtigt werden können. In der Überwachung und Steuerung moderner Vollentsalzungs-Anlagen für Wasser hat die elektrische ' Leitfähigkeits-Messung heute eine ihrer wichtigsten technischen Anwendungen gefunden.

Wird an die zu analysierende Flüssigkeit eine elektrische Spannung angelegt, so fließt ein Strom, dessen Größe der angelegten Spannung proportional ist.

Die Proportionalitätskonstante heißt elektrische Leitfähigkeit und ist der reziproke elektrische Widerstand. Der elektrische Widerstand eines beispielsweise metallischen Leiters ist von seinen Dimensionen und seiner Natur abhängig, und zwar ist der Widerstand proprotional zu seiner Länge und umgekehrt proportional zum Querschnitt. Der Proportionalitätsfaktor ist der spezifische Widerstand bzw. sein reziproker Wert, der als spezifische Leitfähigkeit bezeichnet wird. Diese Beziehung gilt auch für Elektrolyse. Anstelle der Länge tritt hier die Entfernung der Elektroden. Für den Querschnitt ist der Querschnitt der Flüssigkeitssäule einzusetzen, der nicht unbedingt gleichzusetzen ist mit der Fläche der Elektroden. Die spezifische Leitfähigkeit von Elektrolyten ist als reziproker Widerstand eines Kubikmeters der Lösung definiert und wird in der Einheit "Siemens" ^S) gemessen. In. vielen Fällen wird auch die 1o 3 _mai kleinere Einheit Milli-Siemens bzw. die Io mal kleinere Einheit Mikro-Siemens verwendet.

Die spezifische Leitfähigkeit ist abhängig von der Zahl der beweglichen Ionen. Sie steigt also mit

» m • ·

zunehmender Konzentration. Wird die Leitfähigkeit über der Konzentration aufgetragen, so kann zunächst ein der Konzentration proprotionaler, d.h. geradliniger Anstieg beobachtet werden. Gleichzeitig steigt aber auch die gegenseitige Behinderung der Ionen, die eine Herabsetzung der Leitfähigkeit zur Folge hat. Bei einer bestimmten Konzentration kompensieren sich beide Effekte. Danach tritt trotz Er höhung der Konzentration eine Abnahme der Leitfähigkeit ein, da der Dissoziationsgrad abnimmt.

Für die technische Leitfähigkeitsmessung wird nur der erste geradlinige Teil der Kennlinie verwandt. Es ist daher notwendig, beim Einsatz der verschiedenen Lösungen zu prüfen, ob die gewünschte Konzentration im linearen Teil der Kurve liegt.

Ursprünglich wurde für die technische Leitfähigkeitsmessung ein Elektrodensystem verwendet. Es wurde über Elektroden eine Wechselspannung an eine Flüssigkeitssäule mit definierten Diemensionen angelegt und der elektrische Strom gemessen, der proportional der spezifischen Leitfähigkeit ist. Hierbei ergaben sich als Nachteile eine Verfälschung des Meßergebnisses durch Verschmutzen der Elektroden, eine Verfälschung des Meßergebnisses durch Polarisationseinflüsse an der Grenzschicht Elektrode/ Flüssigkeit, chemische Reaktionen der Meßelektroden mit der zu messenden Flüssigkeit und insgesamt neben einer schlechten Genauigkeit hohe Wartungskosten.

Zur Vermeidung dieser Nachteile wurde das elektrodenlose System entwickelt, welches nach dem Zwei-Transformator-Prinzip arbeitet. An eine von der Flüssigkeit isolierte Spule wird eine definierte Meß-Wechselspannung gelegt. Diese Spannung hat in der

Primärspule des ersten Transformators einen Induktionsstrom zur Folge, der ein Magnetfeld erzeugt. Werden magnetische Streuflüsse vernachlässigt, so entsteht an der Sekundärspule des ersten Transformators, die als Flüssigkeitswindung ausgebildet ist, eine Spannung, die proportional zum Windungszahlenverhältnis ist. Die als Sekundärspule des ersten Transformators und als Primärspule des zweiten Transformators dienende Flüssigkeitsschleife besitzt nur eine Windung. In dieser Flüssigkeitswindung fließt ein Strom infolge der induzierten Spannung. Dieser Strom ist proportional zur elektrischen Leitfähigkeit in der Flüssigkeitswindung und der angelegten Meß-Wechselspannung und hat im zweiten Transformator ein Magnetfeld zur Folge. Dieses Magnetfeld erzeugt im zweiten Transformator eine Sekundärspannung, die als Maß für die Leitfähigkeit der in der Flüssigkeitswindung befindlichen Lösung verwendet wird. Mit diesem elektrodenlosen Zwei-Transformatoren-System entfallen die Nachteile des zuerst geschilderten Elektrodensystems. Durch die niedrige Senkudärspannung ist die Messung allerdings nur für höhere und mittlere Leitfähigkeiten möglich und zu kleinen Leitfähigkeiten hin begrenzt.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend vom bekannten Zwei-Transformatoren-Prinzip eine Vorrichtung zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit von Flüssigkeiten zu schaffen, welche mit höchster Genauigkeit auch bei Flüssigkeiten mit sehr geringen Leitfähigkeiten angewendet werden kann.

Die Vorrichtung der eingangs erwähnten Art enthält zur Lösung der Aufgabe in dem über die Sekundärspule sich ergebenden Sekundärstromkreis einen Kondensator zur Bildung eines Schwingungskreises

Der mit einfachsten technischen Mitteln auf- |, gebaute Schwingkreis ergibt die für die Messung geringster Leitfähigkeiten erforderldche Vergrößerung der Meßwerte der Sekundärspannung, wobei es lediglich erforderlich ist, die Resonanzfrequenz dieses Schwingkreises auf die Frequenz der Meßspannung abzustimmen, die an die Primärspule des ersten Transformators angelegt ist. Dies kann bei einer konkreten Vorrichtung ohne Schwierigkeiten durch die Wahl bestimmter Bauelemente vorgenommen werden-

Zweckmäßig sind bei der neuerungsgemäßen Ausbildung der Vorrichtung die Primärspule und die Sekundärspule zu allen Seiten kapazitiv, beispielsweise durch Aluminiumblech, und gegeneinander zusätzlich induktiv, beispielsweise durch Mu-Metall, abgeschirmt und in einer in die Flüssigkeit eintauchbaren Sonde angeordnet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß nicht die Flüssigkeit in ein kompliziertes Meßgerät eingefüllt werden muß, sondern daß zur Messung die vorliegende Meßvorrichtung in die Flüssigkeit eingetaucht wird, deren elektrische Leitfähigkeit gemessen werden soll.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Neuerung sind die Primärspule und die Sekundärspule koaxial und unmittelbar nebeneinander in einem zylindrischen Gehäuse angeordnet/das mit einer Bohrung für den Flüssigkeitsdurchtritt versehen ist. Auf diese Weise ergibt sich eine besonders raumsparende Anordnung, die dadurch noch verbessert werden kann, daß die Primär- und Sekundärspule koaxial zur Längsachse des zylindrischen Gehäuses angeordnet sind und die Bohrung als in einer von

der Stirnfläche ausgehenden zentrischen Bohrung mündende Querbohrung unmittelbar neben der oberen Spule ausgebildet ist.

Um ungünstige elektrische Eigenschaften, wie Störungsstreuungen kapazitiver oder induktiver Art, Kabelkapazitäten, Leitungswiderstand für den Schwingkreis, kleinzuhalten, ist gemäß einem weiteren Merkmal der Neuerung auch der Kondensator in der Sonde angeordnet. Schließlich ist in der Sonde im Bereich der Bohrung ein Temperaturfühler angeordnet, der über eine elektronische Verstelleinrichtung mit einem Generator zur Erzeugung der Meßspannung verbunden ist. Auf diese Weise ergibt sich bei geringstem Bauaufwand eine einfache Möglichkeit zur Kompensierung des Temperatureinflusses auf die Leitfähigkeit, indem der vom Temperaturfühler gemessene Wert einem Generato: mitgeteilt wird, der zur Erzeugung der Meßspannung dient.

Die Zeichnung gibt ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach der Neuerung wieder.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung und

Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach der Neuerung.

Die Prinzipskizze in Fig. 1 zeigt eine Primärspule 1, an welche mittels eines Generators 2 eine Meßspannung angelegt wird. Da der Kern 1A der Primärspule 1 einen ,Elüssigkeitsring 3 umgibt, induziert die Meßspannung der Primärspule. in der Flüssigkeitswindung eine Sekundärspannung.

Diese Spannung hat in einer Sekundärspule 4 eine induzierte Spannung zur Folge, die von der elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit abhängig ist.

Um unmittelbare Auswirkungen der Primärspule 1 auf die Sekundärspule 4 auszuschließen, befindet sich zwischen diesen beiden Spulen eine Abschirmung 5. Der die Sekundärspule 4 enthaltende Sekundärstromkreis ist durch einen Kondensator 6 als Schwingkreis ausgebildet, wobei die Schwingkreisdämpfung durch den

Widerstand 6A realisiert wird. Die entstehende Meßspannung wird schließlich mit einem Instrument 7 zur Anzeige gebracht. Die Resonanzfrequenz des Schwingkreis ist auf die Frequenz der an die Primärspule 1 angelegten Meßspannung abgestimmt, die vom Generator 2 erzeugt wird.

Durch die Ausbildung des SekundärStromkreises als Schwingkreis und durch die Abstimmung desssen Resonanzfrequenz auf die Frequenz der Meßspannung wird am Anzeigegerät 7 ein Wert für die elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit angezeigt, der um ein vielfaches größer ist als die in der Sekundärspule induzierte Spannung ohne Resonanzabstimmung. Auf diese Weise lassen sich auch Flüssigkeiten mit geringsten elektrischen Leitfähigkeiten exakt messen.

In Fig. 2 ist - wisäerum schematisch - ein Ausführungsbeispiel der Meßvorrichtung wiedergegeben. Die Meßvorrichtung ist in der Art einer Sonde ausgebildet und wird in Durchflußgefäß 8 eingetaucht, durch das die zu messende Flüssigkeit im Sinne der eingezeichneten Pfeile strömt. Sowohl die Primärspule 1 als auch die Sekundärspule 4 sind einem Sondenkörper 9 angeordnet, der in das Durchflußgefäß 8 eingesetzt ist. Die Primärspule 1 und die Sekundärspule 4 sind koaxial zur Längsachse des

— R —

etwa zylindrischen Sondenkörpers 9 unmittelbar nebeneinander angeordnet. Sie sind zu allen Seiten kapazitiv, beispielsweise durch Aluminiumblech,abgeschirmt.

Gegeneinander' sind die Primärspule 1 und die Sekundärspule 4 zusätzlich induktiv abgeschirmt, beispielsweise durch Mu-Metall. Die kapazitive Abschirmung ist in Fig. 2 mit der Bezugsziffer 1o und die induktive Abschirmung mit der Bezugsziffer

11 bezeichnet.

Im Bereich der Primärspule 1 und der Sekundärspule 4 ist im Sondenkörper 9 eine zentrische Bohrung

12 gebildet, die von der unteren Stirnfläche des Sondenkörpers 9 ausgeht. Um die Flüssigkeitswindung zu schließen, besitzt der Sondenkörper 9 weiterhin eine Querbohrung 13, die oberhalb der Primärspule verläuft.

In Fig. 2 ist schematisch auch der Generator 2 zur Erzeugung der Meßspannung angedeutet. Dieser Generator 2 liegt ebenso außerhalb des Sondenkörpers 9 wie das Anzeigegerät 7. Um ungünstige elektrische Eigenschaften, wie Störungsstreuungen, Kabelkapazitäter Leitungswiderstände in dem als Schwingkreis ausgebildeten Sekundärstromkreis gering zu halten, ist gemäß Fig. 2 der Kondensator 6 innerhalb des Sondenkörpers 9 angeordnet. Der Sondenkörper 9 enthält weite] hin den Dämpfungswiderstand 6A und einen Temperaturfühler 14, der über eine nicht wiedergegebene elektronische Stelleinrichtung mit dem Generator 2 zur Erzeugung der Meßspannung verbunden ist. Auf diese Weise kann der Temperatureinfluß auf die elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit durch eine Temperaturabhängige Veränderung der angelegten Meßspannung kompensiert werden.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit von Flüssigkeiten durch die Induktion einer Spannung in der Flüssigkeit mit Hilfe einer auf die Flüssigkeit wirkenden Primärspule und durch Messen der erzeugten, von der Leitfähigkeit der Flüssigkeit abhängigen Sekundärsparrnng über ein

an eine Sekundärspule angeschlossenes Meßgerät, dadurch gekennzeichnet, daß in dem über die Sekundärspule (4) sich ergebenden Sekundärstromkreis ein Kondensator (6) zur Bildung eines Schwingkreises vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspule (1) und die Sekundärspule (4) zu allen Seiten kapazitiv, beispielsweise durch Aluminiumblech, und gegeneinander zusätzlich induktiv, beispielsweise durch Mu-Metall, abgeschirmt

und in einer in die Flüssigkeit eintauchbaren Sonde untergebracht sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspule und die Sekundärspule (1, 4) koaxial und unmittelbar nebeneinander in einem zylindrischen Gehäuse (Sondenkörper) (9) angeordnet sind, welcher eine Bohrung (12, 13) für den Flüssigkeitsdurchtritt aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die'Primärspule (1) und die Sekundärspule (4) gleichachsig mit der Längsachse des zylindrischen Gehäuses (9) angeordnet sind und die Bohrung als in einer von der Stirnfläche ausgehenden, zentrischen Bohrung (12) mündende Querbohrung (13) unmittelbar neben der oberen Spule vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (6) in dem Sondenkörper (9) untergebracht ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Sonde bzw. dem Sondenkörper (9) im Bereich der Bohrung (12, 13) ein Temperaturfühler (14) angeordnet ist/ der über eine elektronische Verstelleinrichtung mit einem Generator

(2) zur Erzeugung der Meßspannung verbunden ist.