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Vorrichtung zur Bestimmung kleiner Meßgrößen
Die Erfindung bezieht
sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung kleiner Meßgrößen, wie Wärmedehnungen,
Elektrizitätsmengen u. dgl., mit der jede beliebige zu messende Größe, die sich
in eine Volumenverschiebung überführen läßt, wie Längenänderungen, Stromenergien,
Temperaturschwankungen Ju. dgl"bestimmt werden kann.
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Das Gerät bietet eine universelle Anwendungsmöglichkeit und kann
insbesondere auch zur Titration verwendet werden. Hierbei sind zur Erkennung des
Umschlagpunktes beim Erreichen eines bestimmten Gleichgewichtszustandes, insbesondere
bei geringsten Titrationsmengen, die sonst verwendeten Farbindikatoren kaum geeignet.
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Bei der Anordnung gemäß Erfindung lassen sich dagegen Titrationen
mit geringsten Titrationsmengen und auch ohne Schwierigkeit automatisch volrnehmen,
wobei sich das Gerät beim Erreichen des eingestellten gleichgewichtspunktes automatisch
arretiert. Die Anzeige gestattet dann die Ablesung mit unverminderter Genauigkeit
noch nach sehr langer Zeit.
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Die Zahl der Meßbereiche läßt sich auf Kosten des Faktors Zeit ohne
Verlust an Genauigkeit fast beliebig erweitern. Dies wird dadurch ermöglicht, daß
zur Kenutlichmachung der Volumenverschiebung, auch bei Titrationen, Kapillaren beliebiger
Länge und Feinheit verwendet werden, dile genau parallelwandig ausgebildet sind.
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Die Erfindung ist durch leine Anordnung gekennzeichnet, die die Meßgrößen
in Volumenänderungen, eines ffießfähigen Mediums überführen, dem einerseits mittel-
oder unmittelbar durch einen Schwingungsgenerator elektromagnetische Schwingungen
zugeführt und von dem diese anderseits durch ein Kopplungsglied abgenommen werden.
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Dabei wird die Bewegungsgröße des Mediums durch ein gegebenenfalls
über leinen Verstärker an das Kopplungsglied angeschlossenes Meßgerät bestimmt.
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Insbesondene besteht das medium aus einer in einer Kapillare befindlichen
elektrolytsäule, die mindestens an einem Ende angeinen Nichtelektrolyt grenzt, wobei
das Kopplungsglied im Bereich des Meniskus zwischen den beiden Medien angeordnet
ist.
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Durch das Gerät wird demnach die zu messende Größe zunächst in eine
Volumenverschiebung übergeführt, die die Änderung der Kopplungsgröße lergibt. Die
Anordnung kann durch einen Nieder-oder Hochfrequenzgenerator gespeist werden. Bei
konstanter Frequenz und Intensität des Generators ist die Stärke der übertragenen
elektromagnetischen Schwingungen eine Funktion der Kopplungsgröße, so daß die Anzeigewerte
ein Maß für die Volumenverschiebung sind, die in Kapillaren, meist aus Glas, gemessen
werden.
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Darüber hinaus kann ein Teil der in der Kapillare durch Volumenverschiebung
bewegten Flüssigkeitssäule aus leiner Emulsion eines ferromagnetischen Stoffes in
einem geeigneten Lösungsmittel, meistens Öl, bestehen. Diese Emulsion erhöht ihre
Viskosität beträchtlich, wenn sie in ein magnetisches Feld gebracht wird. Dies kann
dazu ausgenutzt werden, eine Verklemmung, die jede weitere Verschiebung der Säule
verhindert, zu bewirken.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand von einigen Beispielen erläutert:
In Fig. 1 ist das Schaltprinzip eines Titrationsgerätes veranschaulicht, wobei I
die stabilisierte Netzanode, 2 einen Tonfrequenzgenerator und 3 die Meßkapillare
darstellt, in der in punktierter Linie die Elektrolytsäule 4 angedeutet ist. Im
unteren Teil der Kapillare befindet sich lein Nichtelektrolyt 5 und im Bereich des
Meniskus 6 zwischen den beiden Säulen 4 und 5 ist lein verschiebbarer Kopplungskondensatorteil
7 angeordnet, der die Kapillare umgibt. Er ist mit dem Titrationsverstärker 8 verbunden,
an dem das Meßinstrument 9 zum Ablesen der Volumenverschiebung liegt. Die Elektrode
10 ragt in die Kapillare hinein und steht unmittelbar mit der Elektrolytsäule in
Verbindung.
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Dieser Schaltung liegt die Überlegung zugrunde, daß der Ausschlag
des Meßinstrumentes g hinter dem Empfangsverstärker 8 mit linearem Frequenzgang
und linearer Verstärkung proportional der Größe der Kopplung zwischen der Säule
4 und dem Kondensatorteil 7 bei konstanter Leistung des Generators ist. Bewegt sich
also die Elektrolyt,-säule 4, die in Verbindung mit der Elektrode 10 als Kopplungskondensator
wirkt, so wird die Größe der Verschiebung in der Kapillaren 3 über die Elektrode
7 am Meßinstrument als Spannungsänderung abgelesen. Hierbei werden die vom Scliwingungsgenerator
erzeugten Erregerschwingungen direkt auf die in die Elektrolytsäule tauchende Elektrode
übertragen, die dann die elektromagnetischen Schwingingen über die kapazitive Ankopplung
auf das Meßinstrument weitergibt.
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Das Gerät kann sowohl zur Titration, wie weiter unten beschrieben
wird, als auch z. B. zur Messung von Elektrizitätsmengen verwendet werden, wobei
ein lelektrischer Strom durch einen Elektrolyt geführt wird, so daß eine Gasentwicklung
entsteht.
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Die sich entwickelnde Gasmenge ist der durchgeflossenen Strommenge
proportional und kann zur proportionalen Verschiebung einer Elektrolytsäule verwendet
werden, so daß die durchfiießende Strommenge an dem entsprechend geeichten Meßgerät
9 abgelesen werden kann.
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Biei der Messung von Wärmeausdehnungen benutzt man zweckmäßig leine
in einem Gefäß befindliche Flüssigkeitsmenge, die auf Temperaturändgerungen durch
Volumenänderungen reagiert, welche auf die gleiche Weise durch das beschriebene
Gerät gemessen werden können, wenn man die Menge der Flüssigkeit kennt.
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Fig. 2 zeigt lein ähnliches Gerät mit dem Unterschied, daß eine indirekte
Ankopplung Verwendung findet, wobei zwei Kopplungsglieder vorhanden sind. Das primäre
Kopplungsglied II ist mit dem Schwingungsgenerator 2 verbunden und umschließt die
Kapillare 3 im Bereich der E1ektrolytsäule 4, etwa in der Form einer Hülse. Die
Elektrolytsäule 4 stellt die zweite Elektrode des Kondensators dar.
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Die Gestalt der beiden Elektroden ii und 7 kann weitgehend der Eigenart
der Konstruktion angepaßt werden. Es muß aber unter allen Umständen darauf geachtet
werden, daß sie gut gegeneinander abgeschirmt sind, damit eine direkte Kopplung
verhindert wird.
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Die Anzeigevorrichtung hat die Aufgabe, die von dem sekundären Kopplungsglied
7 aufgenommene Intensität in Anzeigewerte umzuwandeln.
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Elektrische Anzeigen gestatten in der Regel Ablesungen bis etwa 1%
Genauigkeit, wenn man nicht einen zu großen Aufwand in Kauf nehmen will. Durch Verfeinerung
der erfindungsgemäß verwendeten Kapillaren kann mlan jedoch die Empfindlichkeit
erheblich vergröbern, so daß es mit dem neuartigen Gerät möglich ist, Verschiebungen
von Flüssigkeiten zu messen in einer Kapillare, deren innere lichte Weite unter
einer Lichtwellenlänge liegt.
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Um leine Vergrößerung des Meßbereiches ohne Verlust an Genauigkeit
und ohne großen Aufwand zu lerreichen, kann eine Anordnung gemäß Fig. 3 verwendet
werden. Hierbei ist die Mießkapillare 3' schraubenförmig um einen Zylinder 12 gewickelt,
und die beiden B, eläge II und 7 der Kopplung glieder umgreifen den Zylinder schalenartig,
jedoch nicht ganz zur Hälfte. Sie sind gegeneinander durch eine Vorrichtung I3 abgeschirmt.
Der Zylinder I2, auf den die Kapillare gewickelt ist, ist quer geschlitzt und trägt
in dem Schlitz eine Metallplatte, Ndie ebenfalls der Abschirmung dient.
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Die Kapillare ist fast ganz mit einem indifferenten Nichtleiter gefüllt,
während die Hälfte eines Zylinderumfanges feiner Kapillarwindung mit einem Leiter
gefüllt ist, der als Kondensatorbelag wirkt.
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Der Meßvorgang spielt sich bei diesem Ausführungsbeispiel folgendermaßen
ab: Wenn sich der Leiter gerade unter dem Primärbelag und noch nicht unter dem Sekundärbelag
befindet, ist die Kopplung gleich Null. Verschiebt
sich der Leiter
infolge Volumenänderung, so daß er je zur Hälfte unter den beiden Belägen 7 und
I I liegt, ist die Kopplung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite des Differentialkondensators
am größten. Verschiebt sich deF Leiter bei weiterer Volumen änderung, so daß ler
ganz unter den Sekundärbelag 7 zu liegen kommt, so findet auch keine Kopplung statt.
Hiernach kommt der Leiter wieder je zur Hälfte unter die beiden Beläge 7 und 11,
und die Einstrahlungsverhältnisse verhalten sich wie oben beschrieben.
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Bei Weiterschreiten der Säule wiederholt sich dieses Spiel immer
wieder über die gesamte Länge der Kapillaren. Durch geeignete Anordnung, etwa die
Verwendung reines Schaltnelais mit Zähleinrichtung, läßt es sich erreichen, daß
bei jedem Maximalempfang lein Schaltvorgang getätigt und gezählt wird.
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Bei dem beschriebenen Verfahren kennen demnach die Vollausschläge
gezählt und noch jedes Intervall auf I % genau abgelesen werden.
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Zur genauen und zuverlässigen Anzeige ist es weiterhin noch lerforderlich,
eine Vorrichtung anzubringen, die einen einmal lerneichten Meßwert auf eine gewisse
Zeit zuverlässig festzuhalten gestattet. Zu diesem Zweck schließt sich an die Kapillare
3' gemäß Fig. 3 leine zweite 3" von mindestens der gleichen Kapazität an, die ganz
mit einer Eisen-in-Öl-Emulsion gefüllt ist, d. h. ganz allgemein mit leiner Emulsion
ferromagnetischer Substanz in leinem geeigneten Lösungsmittel. Dicht über dieser
Emulsion befinden sich die Pole 14 eines Elektromagnleten. Solange dieser ausgeschaltet
ist, kann sich die Emulsion in der Kapillaren 3" verschiebsen. Beim Einschalten
nimmt die Viskosität der Emulsion in dem magnetischen Feld lerhleblich zu und sie
lerstarrt zu leiner Masse von zähler Konsistenz, so daß jede weitere Verschiebung
verhindert wird. Anderseits kann man das Magnetfeld so bemessen, daß auch lediglich,
eine Abbremsung der Leiterbewegung innerhalb der Kapillaren erreicht wird, so daß
dadurch die Verschiebungsgeschwindigkeit beliebig reguliert werden kann.
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Zur Verstärkung des Magnetfeides ist der Teil des Zylinders I2, der
im Bereich der Pole 14 liegt, mit einem Eisenkern 15 versehen.
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Die Anwendung der Erfindung auf ein Titriergerät zeigt Fig. 4, wobei
das Gerät zwar selbst nicht dargestellt ist, sondern lediglich die Kapillare 3.
Diese ragt in eine Reagierkammer 16 hinein, in der die Titration vorgenommen werden
soll. Die Kammer wird aus zwei zwischen zwei Glasplatten liegenden Elektroden 17
gebildet, die im einfachsten Fall, wie bei der Titration mit konduktometrischer
Kontrolle, aus zwei dünnen Metallfolien bestehen, die in der Mitte nicht aneinanderstoßen,
einen keilförmigen Schlitz freilassen. An ihrem unteren Ende ist die so gebildete
Kammer I6 durch einen Isolator I8 verschlossen. Die schlitzförmige Kammer wird mit
der zu titrierenden Lösung g gefüllt, wobei zur Vermeidung von Verdunstungsverlusten
die in der Kammer befindliche Lösung noch mit einer splezifisch leichteren, indifferenten,
mit ihr nicht mischbaren Lösung überschichtet wird.
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Unmittelbar über derKammer befindet sich eine S'chwingzunge 19 aus
ferromagnetischem Metall, die durch einen dahinter angebrachten Elektromagnet 20
in Schwingungen versetzt werden kann. An die Schwingzunge wird das in die zu titrierende
Lösung eintauchende Ende der Kapillaren 3 angeklebt. Die auf die Kapillaren übertragenen
Schwingungen der Zunge sorgen für ausreichende Durchmischung der Kammerflüssigkeit
während der Titration.
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Wenn man elektromagnetisch nicht wirksame ReaktionLen-kontrollieren
will, kann man die Änderung der Dielektrizitätskonstante zur Anzeige heranziehen.
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In Fig. 5 ist die Anwendung des neuartigen Gerätes zur Durchführung
einer automatischen Endpunktstitration dargestellt. Die Voraussetzung für eine derartige
Anwendbarkeit ist die, daß der Endpunkt, bei dem die Titration automatisch angehalten
oder abgelesen werden soll, elektrisch definiert ist.
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Die Kapillare 3 lenthält im Bereich der Primärelektrode 11 die Elektrolytsäule
4, an die sich nach oben hin ein Nichtelektrolyt 21 anschließt. Oberhalb dieses
Elektrolyts befindet sich eine Säule 22 aus Magnetöl, in deren Bereich ein Elektromagnet
23 angeordnet ist. Die Kapillare mündet nach oben hin in einen Druck-und Saugstutzen
24. Unterhalb der elektrolytsäule 4 4 befindet sich ebenfalls ein Nichtelektrolyt
5, in dessen Bereich bzw. im Bereich des Meniskus 6 sich die Sekundärelektrode7
befindet. Die Teile 11@ 4, 7 bilden wiederum einem Differentialkondensator.
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Die Kapillare 3 mündet nach unten in die Reagierkammer 25, in der
der Titrationsproseß stattfindet. Die Reagierkammer steht mit einem Konduktometer
26 in Verbindung, das seinerseits über lein Relais 27 mit dem Magnet 23 verbunde
ist.
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Die Titration wird gestartet, nachdem das Relais 27 auf den au erreichenden
elektrischen Endwert eingestellt ist. Ein Zufluß von Titrationsflüssigkeit verändert
die lelektrische Qualität der in der Kammer 25 befindlichen Lösung so lange, bis
das Konduktometer oder Elektrometer 26 den auf dem Relais 27 leingestellten Wert
ereicht. In diesem Augenblick wird lein Schaltvorgang getätigt, der die Einschaltung
des Elektromagnets 23 zur Folge hat. Die magnetische Emulsion, erstarrt und verhindert
so den weiteren Zufluß von Titrierflüssigkeit. Das Zählwerk 28 und die Anzeigevorrichtung
29 zeigen den zur Erreichung des Gleichgewichtes erforderlichen Volumenwert an Titrierflüssigkeit
an.
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Sie können noch nach langer. Zeit mit unverminderber Genauigkeit abgelesen
werden.