DE836262C

DE836262C - Mess- und Pruefgeraet zur laufenden UEberwachung des Konzentrationsgrades und/oder anderer Eigenschaften von Saeuren, Basen und anderen fluessigen Stoffen mittels Wechselstrom

Info

Publication number: DE836262C
Application number: DEP44620A
Authority: DE
Inventors: Manfred Seiffert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1949-06-02
Filing date: 1949-06-02
Publication date: 1952-04-10
Also published as: FR987863A

Description

Die Erfindung betrifft ein Meß- und Prüfgerät zur laufenden Überwachung des Konzentrationsgrades und/oder anderer Eigenschaften von Säuren, Basen und anderen flüssigen Stoffen mittels Wechselstrom.

Hei der industriellen Erzeugung von flüssigen chemischen Stoffen ist es aus Gründen der Wirtschaftlichkeit vielfach erforderlich, den Konzentrationsgrad oder andere Eigenschaften des erzeugten Stoffes während des Herstellungsganges laufend zu überwachen. So ist es z. B. bei der Erzeugung von Schwefelsäure (H., SO₄) nach dem Kontaktverfahren notwendig, den Konzentrationsgrad des Konzentrates mit größter Genauigkeit, etwa mit i°/oo, zu bestimmen. Bekanntlich arbeitet das Kontaktverfahren zur Herstellung von Schwefelsäure am wirtschaftlichsten, wenn das Konzentrat eine Stärke von etwa 98,2% bis 98,6% besitzt, da anderenfalls große Mengen von Schwefeltrioxyd (SO₃) ungenutzt entweichen, wodurch die Wirtschaftlichkeit des Herstellungsverfahrens in Frage gestellt wird.

Man hat daher zur Überwachung des Konzentrationsgrades von nach dem Kontaktverfahren hergestellter Schwefelsäure Meß- bzw. Prüfapparaturen geschaffen, bei denen die Leitfähigkeit bzw. der Widerstand der Schwefelsäure gemessen und hieraus auf den jeweiligen Konzentrationsgrad geschlossen werden kann. Diese bekannten Meßanordnungen weisen zwei in die zu überwachende Schwefelsäure eintauchende, also mit ihr unmittelbar in Berührung kommende Metallelektroden auf, mit deren Hilfe der verwendete Meßwechsel- oder -gleichstrom durch die Säure hindurchgeführt

wird. Da unedle Metalle hierbei von der Säure stark angegriffen werden, wodurch eine auch nur einigermaßen exakte Messung in Frage gestellt wird, hat man Meßelektroden aus Platin gewählt. Aber selbst bei diesen Platinelektroden zeigt sich bereits nach relativ kurzer Zeit, daß die Meßergebnisse sehr ungenau sind, was auf Polarisationsvorgänge und auf chemische Veränderungen der Oberfläche dieser Platinelektroden zurückzuführen

ίο ist, durch die Undefinierte Übergangswiderstände sich ergeben. Ganz abgesehen von den hohen Kosten dieser Platinelektroden ist man zur zeitweiligen Betriebsunterbrechung gezwungen, zwecks Auswechselung und Reinigung dieser mit der Flüssigkeit unmittelbar in Kontakt kommenden Elektroden, wodurch weitere, oft nicht unerhebliche Kosten entstehen.

Diese, den bekannten Meßanordnungen anhaftenden Nachteile werden durch die erfindungsgemäße Anordnung in einfacher und wirksamer Weise dadurch beseitigt, daß die beiden an eine Meßwechselspannung sehr hoher Frequenz angelegten Meßelektroden nicht mit der Säure in Berührung gelangen, sondern durch chemisch beständige Isolierstoffe von hdher Dielektrizitätskonstante, z. B. durch Glas, von der zu überwachenden Flüssigkeit getrennt sind. Die gemäß der Erfindung vorgeschlagene Anordnung gestattet daher auch die Verwendung von Elektroden aus unedlem Metall,

z. B. aus Eisen, das z. B. nach einem an sich bekannten Spritzverfahren auf den Isolierkörper, z. B. Glas, aufgetragen wird. Die Gestaltung dieser, durch Isolierstoff gegenüber der Flüssigkeit getrennten Elektroden kann den jeweiligen Verwendungszwecken und Wünschen angepaßt werden. Sie können auch, wie die bekannten Meßelektroden aus Platin, unmittelbar in die zu ül>erwachende Flüssigkeit eintauchen.

Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform besteht gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung darin, daß die beiden Meßelektroden auf einer von der zu überwachenden Flüssigkeit ständig durchströmten Röhre aus chemisch beständigem Isolierstoff, z. B. Glas, als ringförmige bzw. zylindrische metallische Belegungen, in der Strömungsrichtung der Flüssigkeit gesehen, hintereinander angeordnet sind.

Die beiden erfindungsgemäßen Meßelektroden stellen somit einen kleinen Kondensator dar, dessen beide Belegungen durch Isolierschichten und die Flüssigkeit selbst voneinander getrennt sind. Da die Isolierschichten chemisch beständig sind und sich nicht ändern, sind also die elektrischen Eigenschaften (Kapazität und Verlustwinkel) des aus den beiden Elektroden gebildeten Kondensators lediglich abhängig von der jeweiligen Beschaffenheit, z. B. von dem Konzentrationsgrad, der zu überwachenden Flüssigkeit.

Zwecks Verhinderung der Bildung eines einseit igen Potentials wird ertuidungsgemäß vorgeschlagen, daß sowohl in der Nähe der Einflußais auch in der Nähe der Ausflußöffnung der von der zu überwachenden Flüssigkeit ständig durchströmten Röhre je eine ringförmige bzw. zylindrische metallische Belegung, die beide leitend miteinander verbunden sind, und eine dritte ringförmige bzw. zylindrische, symmetrisch zwischen den ersteren angeordnete Metallbelegung auf der Außenseite der Röhre vorgesehen sind.

Zur Anzeige des sich ergebenden Konzentrationsgrades od. dgl. der zu überwachenden Flüssigkeit kann jedes hinreichend empfindliche und genaue Meßinstrument verwendet werden, das entsprechend geeicht ist. Eine besonders genaue und gleichzeitig hochempfindliche Meßanzeige ergibt sich, wenn man gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung ein aus dem Gleichstromnetz oder aus dem Wechselstromnetz über einen Gleichrichter gespeistes Röhrenvoltmeter wählt, dessen Speisespannung durch einen Eisenwasserstoffwiderstand und einen Glimmstabilisator vorstabilisiert ist und bei dem der Ausschlag des in dem Anodenkreis der Röhre des Röhrenvoltmeters angeordneten Meßinstrumentes in bezug auf Betriebsspannungsschwankungen der gesamten Meßanordnung einschließlich des hochfrequenten Meßgenerators durch eine vor dem Eisenwasserstoffwiderstand abgezweigte und über einen festen Kompensationswiderstand der Kathode des Röhrenvoltmeters zugeführte Spannung kompensiert wird. Es wird später noch näher erläutert werden, in welcher Weise diese Kompensation mit Hilfe des erwähnten festen Kompensationswiderstandes zustande kommt. Die Speisung des hochfrequenten Meßgenerators erfolgt ebenfalls aus der das Röhren voltmeter speigenden Gleichstromquelle.

Wie bereits oben erwähnt, bilden die beiden von der zu überwachenden Flüssigkeit durch einen chemisch beständigen Isolierstoff getrennten Meßelektroden einen Kondensator, dessen Kapazität und Verlustwinkel ein Maß für den Konzentrationsgrad oder für die sonstige Beschaffenheit der Flüssigkeit ergibt. Man kann diesen Kondensator nach einer der an sich bekannten Methoden messen. Zweckmäßig und einfach ist es, wenn man diesen aus den Meßelektroden gebildeten Kondensator in dem einen Brückenzweig und einen aus einer Seriensc'haltung von OTimschcm Widerstand und Kapazität gebildeten komplexen Widerstand, dessen Größe nahezu gleich der Kapazität der Meßelektroden ist, in dem anderen Brückenzweig einer Meßbrücke anordnet, an deren Nullzweig die Anzeigevorrichtung angekoppelt ist.

Da, wie bereits oben erwähnt, die erfindungsgemäßen Meßelektroden auch nach langem Gebrauch sich in keiner Weise ändern, kann die Abgleichung der Meßbrücke bzw. die Abgleichung des aus der Serienschaltung des Widerstandes und der Kapazität gebildeten komplexen Widerstandes vor Inbetriebnahme der Meßanordnung in Abhängigkeit von dem zu überwachenden Konzentrationsbereich od. dgl. der Flüssigkeit einmalig erfolgen; eine Abgleichung der Brückenanordnung während des Betriebes ist also nicht notwendig.

In der Zeichnung sind einige der möglichen Ausführungsformen der Erfindung zur Erläuterung

der Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes dargestellt, und es bedeutet

Fig. ι die erfhidungsgemäße Meßanordnung mit zwei Meßelektroden,

Fig. 2 die erfindungsgemäße Meßanordnung mit drei Meßelektroden,

Fig. 3 ein vereinfachtes Schaltschema der Meßanordnung,

Fig. 4 einen Querschnitt durch das die Meßelektroden aufweisende, von der zu überwachenden Flüssigkeit durchströmte Rohr,

Fig. 5 ein stabilisiertes Röhrenvoltmeter zur Durchführung der Messung des Konzentrationsgrades oder anderer Eigenschaften der Flüssigkeit.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind auf einem von der zu überwachenden Flüssigkeit ständig durchströmten Rohr 7, das aus einem chemisch beständigen Isolierstoff, z. B. Glas, besteht, zwei ringförmige bzw. zylindrische Meßelektroden 5 und 6 angeordnet. Die Pfeile mögen die Strömungsrichtung der zu überwachenden Flüssigkeit in dem Rohr 7 andeuten. Der in Fig. 4 gezeigte Querschnitt durch das Rohr 7 zeigt die Anordnung der zylindrischen Elektroden, die nach einem an sich bekannten Verfahren auf das Rohr 7 aufgespritzt sind.

Zwecks Vermeidung einer einseitigen Potentialbildung sind gemäß Fig. 2 drei derartige Meßelektroden 5, 5' und 6 angeordnet, von denen die Elektrode 6 symmetrisch in der Mitte zwischen den beiden anderen, jeweils am Einfluß bzw. am Ausfluß des Rohres 7 vorgesehenen Elektroden 5, 5' liegt. Diese beiden Elektroden 5, 5' sind miteinander leitend verbunden.

Die Fig. 3 zeigt ein vereinfachtes Schaltschema der Anordnungen gemäß Fig. 1 und 2, wobei der in dem einen Brückenzweig der Meßbrücke angeordnete Kondensator χ den aus den Elektroden 5 und 6 bzw. 5, 5' und 6 gebildeten Meßkondensator darstellt, dessen elektrische Eigenschaften (Kapazität und Verlustwinkel) ein Maß für den Konzentrationsgrad usw. der zu überwachenden Flüssigkeit darstellen. Die erforderliche Meßwechselspannung wird von einem hochfrequenten Meßgenerator 1 erzeugt, an dessen Ausgangsklemmen die Meßbrücke angeschlossen ist. Die beiden zum .Ausgang des Generators 1 parallel geschalteten Kapazitäten 2 und 3 bilden mit der Ausgangsselbstinduktion des Generators einen Schwingungskreis, dessen Eigenfrequenz etwa in der Nähe der Resonanzfrequenz des Hochfrequenzgenerators liegt. Der aus einer Serienschaltung des Ohmschen Widerstandes 8 und der Kapazität 9 gebildete komplexe Widerstand wird vor Inbetriebnahme der Meßanordnung in Abhängigkeit von dem zu überwachenden Konzentrationsbereich usw. der Flüssigkeit einmal eingestellt. Das im Nullzweig der Meßbrücke angeordnete Meßinstrument 4 ist zweckmäßig entsprechend geeicht, so daß die Meßresultate unmittelbar, z. JJ. in Konzentrationsgraden der Flüssigkeit, abgelesen werden können. Da es sich, wie bereits eingangs erwähnt, um eine Messung handelt, bei der sehr hohe Anforderungen einerseits an die Empfindlichkeit und andererseits an die Genauigkeit und Konstanz der Meßangaben gestellt werden, wird erfindungsgemäß die in Fig. 5 dargestellte Anzeigevorrichtung verwendet, bei der es sich um ein für den gedachten Zweck besonders ausgestaltetes bzw. stabilisiertes Röhrenvoltmeter handelt. Der Kathode der Dreielektrodenröhre 13 wird die von einer Gleichstromquelle, z. B. von einem aus dem Wechselstromnetz 15 gespeisten Gleichrichter 14, gelieferte Gleichspannung über einen Eisenwasserstoffwiderstand 16 und einen Glimmstabilisator 17 und über den aus den Widerständen 21 und 22 gebildeten Spannungsteiler zugeführt. Vor dem Widerstand 21 führt ein Abzweig über das Anzeigeinstrument 4 unmittelbar zur Anode der Röhre 13. Es liegt somit zwischen der Anode und der Kathode der Röhre 13 eine durch diesen Spannungsteiler 21, 22 gegebene Spannungsdifferenz. Diese Spannungsdifferenz ist bereits durch den Eisenwasserstoffwiderstand 16 und den Glimmstabilisator 17 in an sich bekannter Weise derart vorstabilisiert, daß z. B. bei einer Spannungsschwankung der Gleichstromquelle 14 um etwa 10% die an der Kathode der Röhre 13 liegende Spannung nur um etwa 1% schwankt. Auch die an der Anode der Röhre 13 liegende Spannung schwankt um etwa 1%. Infolgedessen würden auch die von dem Anzeigeinstrument angezeigten Werte eine Ungenauigkeit von etwa ι °/o gegenüber den tatsächlichen Werten ergeben, während eine Genauigkeit von etwa 1 °/oo erforderlich ist. Die bisher bekannten Röhrenvoltmeter würden daher für den vorliegenden Verwendungszweck nicht ausreichen. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, vor dem Eisenwasserstoffwiderstand 16 die von der Gleichspannungsquelle 14 gelieferte Spannung abzuzweigen und über einen Widerstand 20 unmittelbar der Kathode der Röhre 13 zuzuführen. Es ergeben sich somit zwei einander parallel geschaltete Spannungsteiler, und zwar: erstens der Spannungsteiler 21, 22 und zweitens der Spannungsteiler 20, 22. Wäre der Spannungsteiler 20, 22 allein vorhanden, so würde bei einer Spannungsschwankung der Gleichstromquelle 14 die Spannung an der Kathode der Röhre 13 ebenfalls um den gleichen Prozentsatz, nämlich um etwa 10%, schwanken. Infolge der Parallel- tio schaltung der beiden Spannungsteiler 21, 22 und 20, 22 ergibt sich somit bei einer Schwankung der Betriebsspannung an der Gleichspannungsquelle 14 um 10% eine Schwankung der Spannung an der Kathode der Röhre 13, die größer als 1%, aber kleiner als 10% ist, während die Spannungsschwankung an der Anode der Röhre 13 und damit auch der Strom im Anzeigeinstrument, wie oben gezeigt, z.B. nur 1% ist. Das Potential der Kathode der Röhre 13 wird also stärker positiv, iao während das Potential des Steuergitters der Röhre 13 gleichzeitig stärker negativ wird. Infolgedessen bleibt der Anodenstrom der Röhre konstant und damit auch der Anzeigewert des Meßinstrumentes. Das gleiche gilt für primäre Spannungsschwankungen in entgegengesetzter Richtung. Durch die

angegebene zusätzliche Einschaltung des Wider- ' Standes 20 wird also eine wirksame Kompensierung des Meßinstrumentes 4 erzielt, so daß seine Angaben praktisch unbeeinflußt von Betriebsspannungsschwankungen bleiben.

Das Steuergitter der Röhre 13 des Röhrenvoltmeters ist in an sich bekannter Weise über eine Kopplung 12 mit dem zwischen den Verzweigungspunkten 10, 11 der Meßbrücke liegenden Nullzweig gekoppelt.

Der hochfrequente Meßgenerator 1 ist ebenfalls an die mittels des Eisenwasserstoffwiderstandes 16 und des Glimmstabilisators 17 vorstabilisierte Gleichspannungsquelle 14 angeschlossen, so daß

'5 auch der Einfluß von Betriebsspannungsschwankungen des Aleßgenerators 1 auf das Anzeigeinstrument 4 durch den Widerstand 20 kompensiert wird.

Der Ladekondensator 18 und der Siebkondensator 19 der Fig. 5 dienen in bekannter Weise zur Glättung der Oberschwingungen des gleichgerichteten Netzwechselstromes.

Wie man ohne weiteres erkennt, ist die Anwendung der erfindungsgemäßen Kompensation der.

Netzschwankungen bzw. der Betriebsspannungsschwankungen bei einem Röhrenvoltmeter äußerst vorteilhaft, da auf diese Weise exakte Messungen ohne weiteres möglich sind. Die Verwendung dieser erfindungsgemäßen Anordnung ist daher keineswegs auf Röhrenvoltmeter zur Messung des Konzentrationsgrades usw. von Flüssigkeiten beschränkt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Meß- und Prüfgerät zur laufenden Überwachung des Konzentrationsgrades und/oder anderer Eigenschaften von Säuren, Basen und anderen flüssigen Stoffen mittels Wechselstrom, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden an eine Wechselspannung sehr hoher Frequenz angelegten Meßelektroden (5, 6) durch chemisch beständige Isolierstoffe, z. B. Glas, von der zu überwachenden Flüssigkeit getrennt sind und daß die Anzeige durch ein hochempfindliches Hochfrequenzmeßgerät erfolgt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (5, 6) auf einer von der zu überwachenden Flüssigkeit ständig durchströmten Röhre (7) aus chemisch beständigem Isolierstoff, z. B.

Glas, als ringförmige bzw. zylindrische metallische Belegungen, in der Strömungsrichtung der Flüssigkeit gesehen, hintereinander angeordnet sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Verhinderung der Bildung eines einseitigen Potentials sowohl in der Nähe der Einfluß- als auch in der Nähe der Ausflußöffnung der Röhre (7) je eine ringförmige bzw. zylindrische metallische Belegung (5, 5'), die beide leitend miteinander verbunden sind, und eine dritte ringförmige bzw. zylindrische, symmetrisch zwischen den Belegungen (5, 5') angeordnete Metallbelegung (6) auf der Außenseite der Röhre (7) vorgesehen sind.
4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anzeige des Meßwertes ein aus einem Wechselstromnetz

(15) über einen Gleichrichter (14) oder aus einem Gleichstromnetz gespeistes und mittels der Kopplung (12) mit dem Ausgang des hochfrequenten Meßgenerators (1) gekoppeltes Röhrenvoltmeter (4, 13) dient, dessen Speisespannung durch einen Eisenwasserstoffwiderstand

(16) und einen Glimmstabilisator (17) vorstabilisiert ist, und daß durdh eine vor dem Eisenwasserstoffwiderstand (16) abgezweigte, über den Kompensationswiderstand (20) der Kathode des Röhrenvoltmeters (13) zugeführte Spannung der Ausschlag des in dem Anodenkreis der Röhre (13) angeordneten Meßinstrumentes (4) in bezug auf Betriebsspannungsschwankungen der gesamten Meßanordnung einschließlich des hochfrequenten Meßgenerators (1) kompensiert wird.
5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisung des hochfrequenten Meßgenerators (1) ebenfalls aus der das Röhrenvoltmeter speisenden Gleichstromquelle erfolgt.
6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der aus den von der zu überwachenden Flüssigkeit getrennten Meßelektroden (5, 6 bzw. 5, 5', 6) gebildete Meßkondensator (x) in dem einen Brückenzweig und ein aus einer Serienschaltung von Ohmschem Widerstand (8) und Kapazität (9) gebildeter komplexer Widerstand, dessen Größe nahezu gleich dem Meßkondensator (x) ist, in dem anderen Brückenzweig einer Meßbrücke angeordnet sind, an deren Nullzweig die Anzeigevorrichtung angekoppelt ist.
7. Anordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgleichung der Meßbrücke bzw. die Abgleichung des aus der Serienschaltung des Widerstandes (8) und der Kapazität (9) gebildeten komplexen Widerstandes vor Inbetriebnahme der Meßanordnung in Abhängigkeit von dem zu überwachenden Konzentrationsbereich od. dgl. der Flüssigkeit einmalig erfolgt.
8. Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgang des hochfrequenten Meßgenerators (r) zwei untereinander in Serie geschaltete Kapazitäten (2, 3) parallel angeordnet sind, die zusammen mit der Kopplungsspule des die Brückenschaltung speisenden Meßgenerators (1) einen Schwingungskreis bilden, dessen Eigenfrequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz des Meßgenerators (1) liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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