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Verfahren zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit Zusatz zum
Patent 842 677
Das Patent 842 677 bletrifft ein Verfahren zur Bestimmung der elektrischen
Leitfähigkeit, das ohne die Verwendung von Elektroden auskommt und darin besteht,
daß der komplexe Wechselstromwiderstand einer MeRanlordnung bestimmt wird in der
die zu untersuchende Materie einem oder mehreren Belegen derart gegenübergestellt
ist, daß der Verschiebungsstrom überwiegend durch ein konstantes Dielektrikum und
der Leitungsstrom durch die zu untersuchende Materie läuft. Das Verfahren kann dabei
beispielsweise derart durchgeführt werden, daß an die zu untersuchende Materie unter
Zwischenschaltung eines praktisch verlustfreien Dielektrikums in einem gewissen
Abstand zwei Kondensatorbelege angelegt werden, wobei deren Kapazität gegeneinander
in einer Meßanordnung bestimmt wird. Bei dieser Anordnung werden die beiden Belege
durch die jeweils gegenüberliegende Materie zu zwei Kondensatoren ergänzt. Der Widerstand
zwischen den beiden Kondensatoren ist. abhängig von der elektrischen Leitfähigkeit.
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Eine andere Ausführungsform des Verfahrens kann darin bestehen, daß
ebenfalls unber Zwischenschaltring einles praktisch verlustfreien Dielektrikums
an die Materie ein Kondensatorbelag gelegt wird, fund daß in der zu untersuchenden
Materie eine Elektrode angeordnet ist. Dadurch wird nur ein Kondensator gebildet,
wobei der Widerstand zwischen dem Kondensatorteil in der Materie und
der
Elektrode von der Leitfähigkeit abhängig ist.
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Diese Elektrode kann auch ersetzt werden durch eine sehr große Kapazität
gegen die Materie.
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Die Messung des komplexen Wechselstromwiderstandes dieser Anordnung
kann grundsätzlich mit allen bekannten Methoden durchgeführt werden.
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So kann der - koimpe?ie Wechselsomwiderstand nach Betrag und Phase
mit einer Brückenschaltung gemessen werden. Der komplexe Wechselstromwiderstand
kann auch mit. einer Resonanzmethode gemessen werden. Auch ist es möglich, den komplexen
Wechselstromwiderstand mit einer Phasensprungmethode zu messen.
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Die Erfindung betrifft eine weitere Ausbildung des Verfahrens des
Patents 842 677. Sie besteht darin, daß die Übertragungskapazität des Fühlers als
Abstimmkapazität des Schwingungskreises dient und der ganze Schwingkreisstrom durch
den Fühler fließt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist der Meßstrom mit dem
Schwingkreisstrom identisch, der Meßstrom ist als, o nicht nur mehr oder weniger
fest mit dem Stchwingkreisstrom gekoppelt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß
auch sehr große Leitfähigkeiten ohne weiteres gemessen werden kõnnen.
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Eine Mehrdeutigkeit der Anzeige tritt nicht seit. Bei der Durchführung
des Verfahrens ist zu beachten, daß einerseits die Übertragungskapazität groß genug
gehalten werden muß, darn,it sie, ohne Zuschaltung fester Kapazitäten, als Schwingkreiskapazität
benutzt werden kann, und daß andererseits die Oberfläche der Flüssigkeit, lauf die
der Meßstrom kapazitiv übertragen wird, möglichst klein giehalten werden muß, um
die Widerstände groß genug zu halten, da sie gegenüber der Dämpfung des Schwingungskreises
meßbar sind. Dazu kann man einmal das Dielektrikum ehr dünn wählen.
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Hierzu könnte beispielsweise eine metallkugel dienen, die mit einer
sehr diinnen, das Übertragungsdielektrikum bildenden, isolierenden Schicht überzogen
ist. Eine andere Ausführungsform besteht darin, daß als Übertragungsdielektrikum
ein Stoff besonders hoher Dielektrizitätskonstante wie Bariumtitanat verwendet wird.
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In Weiterbildung der Erfindung wird zur ALIS-schaltung der geschilderten
Schwierigkeiten die Anordnung so ausgebildet, daß die kapazitive Übertragungsfläche
einen von einem Teil der zu untersuchenden Flüssigkeit durchflossenen aus Isoliermaterial
bestehenden Hohlkörper wie eine Kugel umgibt, deren Inneres über aus Isoliermaterial
bestehende Verbindungen geringen Querschnittes, wie Kapillaranschlüsse, mit der
zu untersuchenden geerdeten Flüssigkeit in Verbindung steht. Dabei kann der Hohlkörper
in einem weiteren Hohlkörper angeordnet sein, der in die zu untersuchende Flüssigkeit
eintaucht. In den meisten Fällen ist die zu untersuchende Flüssigkeit durch eine
sehr große Kapazität oder durch das Metall des Behälters geerdet. Den Meßwiderstand
bildet dann der Widerstand der Flüssigkeit zwischen der Meßelektrode bzw. der Flüssigkeitsoberfläche,
<lie der Meßelektrode gegenüberliegt und auf die der Meßstrom kapazitiv übertragenwird,
zu der direkten oder kapazitiven Erdungsfläche. Bei der beschriebenen Ausführungsform
ist nun die Oberfläche, durch die die Stromli.nien gehen, sehr klein gehalten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Anordnung zur Durchführung
des Verfahrens können sowohl in Parallelschwingungskreisen als auch in Serienschaltungen
verwendet werden. Die DSämpfugen dieser Kreise können auf irgendeine der an sich
bekannten oder der im Patent 842 677 genannten Art gemessen werden.
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In der Zeichnung ist die Erfindung veranschaulicht.
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Abb. I, 2 und 6 zeigen Ausführungsformen, bei denen die Meßanordnung
als Parallelschwingungskreis eingeschaltet ist, während Abb. 3, 4 und 5 Meßanordnungen
in Serienschaltung zeigen ; Abb. 7 und 8 -zeigen Schaltskizzen.
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Zur Durchführung des Verfahrens sind die im genannten Patent angegebenen
Fühlerformen brauchbar, wie sie z. B. in den Abb. 1 und 2 dargestellt sind. Abb.
1 stellt die Schaltung für das im genannten Patent beschriebene Meßrohr mit zwei
Belegen 2 und 3 dar, dessen Übertcagungskapazitäten so groß, sein müssen, daß die
resultierende Kapazität ihrer Reihenschaltung in Verbindung mit der Induktivität
I zur Abstimmung auf die Betriebsfrequenz genügt.
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Abb. 2 zeigt die Schaltung des im genannten Patent beschriebenen
einseitig elektrodenlosen Fühlers, dessen Anwendung bei geerdeten Flüssigkeiten
angezeigt ist. Die Erdung ist in der Abbildung durch die Elektrode 4 dargestellt.
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Für manche Anwenjdungszwecke ist es vorteilhaft, die Fühler so auszubilden,
daß sie in die Flüssigkeit eingetaucht werden können. Dazu eignen sich die in den
Abb. 3 und folgende gezeigten Konstruktionen, bei Idenen die Belege durch einen
Luftmantel gegen die Flüssigkeit isoliert werden, damit als ÜbLertragungskapazität
nur die gegen die innere Flüssigkeitsoberfläche in Betracht kommt. Eine einfache
Verlegung der Belege, etsYa nach dem Prinzip des in Abb. 1 dargestellten Meßrohres,
wobei die Belege auf die Innenseite des Meßrohres und die Flüssigkeit außerhalb
zu denken ist, käme wegen der großen Querschnitte nur bei verhältnismäßig schlecht
leitenden Flüssigkeiten in Betracht.
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Abb. 3 zeigt die Konstruktion und Schaltung für nicht geerdete, verhältnismäßig
gut leitende Flüssigkeiten. Die Induktivität 5 bildet zusammen mit den Belegen 2
und 3 eine auf die Betriebsfrequenz abgestimmte Serienschaltung, welche den aus
der Induktivität I und der Kapazität 6 bestehenden Schwingungskreis schließt. Der
Luftmantel 7 schließt die Belege 2 und 3 gegen die Flüssigkeit ab.
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Die Abb. 4 zeigt eine Fühleranordnung, die zur Messung der Leitfähigkeit
geerdet er Flüssigkeiten dient. Der Stromkreis ist bier über die Übertragungskapazität
des Belages 2 gegen die Flüssigkeit und den Flüssigkeitswiderstand von der Mitte
des Rohres gegen die Gefäßwände geschlossen. Die Funktion der in Abb. 3 und 4 dargestellten
Fühler
entspricht derjenigen der in Abb. 1 und 2 dargestellten.
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Der in Abb. 5 dargestellte Fühler unterscheidet sich von der Anordnung
nach Abb. 4 dadurch, daß die Belegung 2 auf der Außenseite einer Hohlkugel liegt,
deren Inneres durch die lange Kapillare 8 und die kurze enge Öffnung 9 mit der geerdeten
Flüssigkeit in Verbindung steht. Bei dieser Anordnung ist der zu messende Widerstand
gegeben durch den Widerstand von der engen Öffnung 9 bis zu den Gefäßwänden. Die
Kapillare 8 hat gegen diesen Weg einen sehr großen Widerstand und dient nur dazu,
um die Kugel mit der Flüssigkeit füllen zu können. Durch diese Anordnung wird erreicht,
daß trotz der kleinen Oberfläche 9 leine ausreichende Übertragungskapazität durch
den großen Belag 2 zur Verfügung steht. Dieselbe Wirkung kann dadurch erzielt nverden,
daß in die geerdete Flüssigkeit eine sehr kleine Metallkugel eingetaucht wird, die
mit einer sehr dünnen, nicht leitenden, dielektrisuchen Schicht überzogen ist und
deren Ableitung durch einen Luftmantel gegen die Flüssigkeit geschützt wird. Ein
derartiger Fühler kann auch erhalten werden, wenn die Schicht dicker, aber aus einem
Matei-ial von extrem hoher Dielektrizitätskonstante, wie Strontiumtitanat, gebildet
ist.
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In Abb. 6 ist eine solche Anordnung für nicht geerdete Flüssigkeiten
dargestellt. Sie besteht aus zwei kleinen Metallkugeln 2 von z. B. 1 mm Durchmesser,
die mit einer Schicht 10 extrem hoher Dielektrizitätskonstante überzogen sind, so
daß eine so hohe Übertragungskapazität gegen die Flüssigkeit entsteht, daß der aus
der Induktivität 1 und der Serienschaltung der beiden Übertragungskapazitäten bestehende
Schwingungskreis, auf die Betriebsfrequenz abgestimmt ist. Der Luftmantel 7 schützt
die Ableitung gegen die Flüssigkeit.
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In. Abb. 7 ist die Prinzipschaltung einer vollständigen Meßanordnung
der Deutlichkeit halber im Zusammenhang mit einem Fühler nach Abb. 2 dargestellt.
Der Gitterkreis der Röhre I3 wird gebildet von der Induktivität 1 der Übertragungskapazität
des Belages 2 und dem Widerstand der geerdeten Flüssigkeit innerhalb des Meßgefäßes
zwischen r und der Erdungselektrode 4. Im Anodenkreis befindet sich ein Resonanzkreis
11, mit dem eine Detektorschaltung 12 als indikator gekoppelt ist.
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Der Ausschlag des Instrumentes 14 ist ein Maß fiir die Amplitude der
Spannung des von der Schaltung gebildeten Huth-Kühn-Generators. Die Spannungsamplitude
dieses Generators wächst mit wachsender Leitfähigkeit der im Meßgefäß befindlichen
Flüssigkeit.