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Einrichtung zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit von Flüssigkeiten
Die
Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen zur Kompensation der Temperatureinflüsse
bei Messungen der elektrischen Leitfähigkeit, insbesondere von Salzlösungen. Hierbei
ist es bereits bekannt. den als Widerstand wirkenden Elektrolyt mit einem von der
Temperatur des Elektrolyts heeinflußten Widerstandsthermometer unter Verwendung
zusätzlicher Schaltelemente zusammenzuschalten. Auch ist bereits eine Einrichtung
vorgeschlagen worden, bei der die temperaturkompensierte Leitfähigkeit des Elektrolyts
mit Hilfe besonderer Schaltungen gemessen wird, die sich aus mathematischen, vorzugsweise
graphischen Beziehungen zwischen den Kurven der Meßgröße, z. B. Salzgehalt, und
der Temperatur des Elektrolyts sowie dessen Widerstand ergeben. Hierbei werden die
mathematischen Beziehungen in entsprechenden Schaltungen mit Hilfe der für derartige
Zwecke gebräuchlichen Meßgeräte nachgebildet. Außerdem ist schon vorgeschlagen worden,
die in diesen Gleichungen vorkommenden oder aus ihnen ableitbaren Summen- und Differenzwerte
durch tiberlagerungsschaltanordnungen unter Verwendung von Wandlern oder geeignetenWiderständen
nachzubilden.
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Unter Verwendung einer zur Temperaturkompensation bestimmten Brücke
in einer an sich bekannten Kompensationsschaltung wird nun erfindungsgemäß eine
durch einen Elektrolyt hervorgerufene Spannung von dem Diagonalstrom einer Meßbrücke
mit einem Widerstandsthermometer kompensiert, und zwar hei einer solchen Be-
messung
der NIeßbrücke, daß der Diagonalstrom an sich für diejenige Temperatur gleich Null
wird, bei der sich die Näherungsgeraden der Leitfähigkeits- oder Widerstandstemperaturkurve
schneiden.
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Zur Erläuterung der Erfindung sei in Fig. 1 und 2 die sich aus der
Leitfähigkeit bzw. dem \\'iderstand des Elektrolyts, dem Salzgehalt und der Temperatur
ergebenden Beziehungen dargestellt. In Fig. I ist auf der Abszisse der Salzgehalt
in mg/l und auf der Ordinate in Abhängigkeit davon die Leitfähigkeit I/R aufgetragen.
Es ergibt sich dadurch eine Schar von Kurven, von denen jede einer lyestimmten Temperatur
toR t1 t" uslv. zugeordnet ist. also eine Isotherme darstellt.
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Diese Kurven schneiden sich bei dem Salzgehalt o in dem Punkt S.
der also dem Skalenanfangspunkt entsprechen würde. In Fig. 2 ist eine ähnliche Darstellung
vorgenommen. allerdings statt in Ahhängigkeit von der Leitfähigkeit I/R in Abhängigkeit
vom Widerstand R des Elektrolyts. wobei diesem ein ÄViderstand parallel geschaltet
ist. Aus der Betrachtung der Fig. I ergibt sich nun, daß man bei der Wahl einer
Kurve, z. B. der für t0 als Bezugskurve, die temperaturkompensierte Leitfähigkeit
bzw. den Salzgehalt unabhängig von der Temperatur dann erhält, wenn man die Kurven
t1, t2 usir-. um den Punkt S dreht, bis sie sich mit der Kurve wo decken. Das gleiche
gilt auch für die \\'iderstandsmessung nach Fig. 2.
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Beginnt der Nteßbereich nicht mit der Leitfähigkeit o, sondern mit
einem anderen Wert, wie in Fig. I und 2 durch die gestrichelten Linien 4 angedeutet
ist. so sind die Kurven allein durch Neigungsänderungen, bezogen auf den Skalenanfangspunkt
nicht zur Deckung zu bringen. Es muß außerdem noch eine Parallelverschiebung stattfinden.
Silan kann aher auch die Drehung der Kurven um einen außerhalb des N'Ießbereiches
liegenden Punkt 5 vornehmen, so daß nur eine Neigungsänderung stattfindet. Oft ist
es auch bei Beginn des Meßbereiches mit der Leitfähigkeito erforderlich. den Drehpunkt
5 nicht mehr mit dem Skalenanfang zusammenfallen zu lassen. Das ist vor allem bei
Widerstandsmessungen erforderlich, bei denen die einzelnen Isothermen durch Neigungsänderung
allein nur näherungsweise zusammenfallen. Alsdann erreicht man durch derartige Verschiehungen
des Drehpunktes bzw. gleichzeitige Parallelverschiebungen oft bessere Übereinstimmung.
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Diese Parallelverschiebungen und Neigungsänderungen lassen sich durch
folgende Gleichung lviedergeben: S = f(R,j) (p(R) i a t t b-t. Rl, Der ÄÄ7ert 5,
z. B. der Salzgehalt, ist durch die Grundbeziehung hei einer gewählten Temperatur
mit dem Widerstand der Lösung f (Ro) verknüpft. eJ (R) stellt die meßbare Widerstandsgröße
oder Leitfähigkeit, eventuell unter Einschluß des Parallelwiderstandes zu den Elektroden
dar, t die -Temperatur, a und b Konstante, J Ro den Abstand des jeweiligen Meßwertes
vom Schnittpunkt der Kurven, der bei Neigungsänderungen und Parallelverschiebungen
z. B. im Beginn des WIeßbereiches bei Neigungsänderungen an beliebiger Stelle liegt.
Durch a t ist die Parallelversdiebung, durch b - t zI Ro die Neigungsänderung ausgedrückt.
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Man kann nun Q (R), den Widerstand oder die Leitfähigkeit durch geeignete
Schaltanordnungen als Spannungswerte. gegebenenfalls auch als Stromwerte darstellen,
und diese durch weitere Schaltelemente so beeinflussen. daß unabhängig von der Temperatur
f (Ro) und damit die temperaturkompensierte Leitfähigkeit angezeigt wird.
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Die schaltungsmäßige Ausführung der Erfindullg sei an einigen Beispielen
dargestellt. In Fig. 3 wird an die Brücke über den Wandler T1 eine Spannung gelegt,
die von dem Widerstand der Elektrodenstrecke E abhängig ist. Fällt der Drehpunkt
5 mit dem Skalenanfangspunlit zusammen, so ist nur eine Neigungsänderung in Abhängigkeit
von der Temperatur und dem Ausschlag des Instrumentes durchzuführen. Dies geschieht
z. B. durch ein vor das Galvanometer im Diagonalzweig der Brücke geschaltetes Widerstandsthermometer
t2 mit positivemTemperaturkoeffizienten, das die Spannungsempfindlichkeit des Galvanometers
verändert. Statt einer Brücke kann in diesem Fall auch ein Widerstand in den Stromkreis
geschaltet werden, an dessen Enden das Galvanometer nebst Widerstandsthermometer
angeschlossen wird.
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Zweckmäßig schaltet man parallel zur Elektrode oder auch parallel
zur Elektrode und Vorwiderstand, der unter Umständen auch temperaturempfindlich
sein kann, einen Widerstand, um die Charakteristik möglichst günstig zu gestalten
und eine möglichst gute Kompensation zu erzielen.
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Hierdurch wird nämlich einerseits der Temperaturkoeffizient der Anordnung
schon herabgesetzt, und andererseits verlaufen die Kurven wesentlich geradliniger,
falls nicht eine exakte tiR-Messung benutzt wird. Hierbei würde aber bei der Leitfähigkeit
o bereits ein Grundstrom fließen, den man zweckmäßig dadurch kompensiert, daß man
diesen durch eine entsprechende Gegenspannung aufhebt (Wandler Te; in Fig. 3j. Man
kann aber auch die Brücke selbst so dimensionieren, daß der Grundstrom nicht zur
Wirkung kommt.
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Ist gleichzeitig, wie bei unterdrückten Meßbereichen, eine Parallelverschiebung
erforderlich. so läßt sich diese durch einen temperaturempfindlichen Widerstand
in einem der Brückenzweige erzielen (t1 in Fig. 3).
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Die Parallelverschiebung und Neigungsänderung ist auch durch ein
einziges Widerstandsthermometer zu erreichen. Dazu läßt man das in Fig. 3 dargestellte
Thermometer t2 fort und bemißt die Brücke so, daß das Thermometer t1 außer der Parallelverschiebung
durch Spannungsänderung an den Diagonalpunkten, gleichzeitig als Schließungswiderstand
für das Galvanometer wirkend, die Neigungsänderung hervorruft. Zweckmäßig wählt
man dabei außerdem die Summe der Widerstände t1 + R, klein gegenüber der Summe der
Widerstånde
R, + R3, R2 und R3 stellen Festwiderstände dar.
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Statt die Elektrodenstrecke unmittelbar in den primären Stromkreis
einzubauen, kann sie auch in eine Brücke. z. B. in die gleiche Brücke eingebaut
werden. die im Diagonalzweig und eventuell in einem der Brückeuzweige die Widerstandsthermometer
enthält. Als Thermometer können Widerstandsmaterialien mit positivem oder negativem
Temperaturkoeffizienten benutzt werden, die dann entsprechend der I,eahsichtigten
Wirkung einzu-I>auen sind. Es lassen sich demnach im Rahmen der Erfindung noch
eine große Anzahl Schaltabänderungen ausführen.
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Will man beliebig große Widerstände- und-damit Spannungsänderungen
mit einem Widerstandsthermometer mit kleinem Temperaturkoeffizienten kompensieren,
so wählt man zweckmäßig eine Cberlagerungsschaltung, wie sie beispielsweise in den
Fig. 4 und 5 dargestellt sind. In Fig.4 herrscht an der Sekundärseite des Stromwandlers
T4 ein dem zu messenden Widerstand bzw. der Leitfähigkeit proportionaler Strom.
Dem Spannungsabfall auf Grund dieses Stromes wird eine von der Temperatur abhängige
Spannung aus der von dem Wandler T1 gespeisten Brücke mit dem Widerstandsthermometer
t3 über den Wandler T5 entgegengeschaltet. Das Thermometer t4 bewirkt die Neigungsänderung
durch Änderung der Spannungsempfindlichkeit des Galvanometers G. Durch den Wandler
T3 wird der Grundstrom, der von dem Parallelwiderstand R2 zur Elektrode herrührt,
kompensiert. Auch hier kann das Thermometer t3 sowohl die Funktion der Parallelverschiebung
als auch der Neigungsänderung übernehmen. Ebenso kann die Elektrodenstrecke in eine
Brücke gelegt werden.
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Ähnlich wirkt die Anordnung nach Fig. 5, in der jedoch die Temperaturbrücke
mit dem Thermometer t5 über einen Stromwandler T6 in den Meßstromkreis eingeschaltet
ist. DieWandlerT2 und T7 dienen zur Kompensation der Grundströme von R3.
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Die dem Widerstand bzw. der Leitfähigkeit verhältnisgleiche Spannung
liegt am Widerstand R4.
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Auch für derartige Schaltungen läßt sich eine große Anzahl weiterer
Abwandlungen im Rahmen der Erfindung angeben.
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Die Erfindung ist auch auf Kompensationsanordnungen nach der Nullmethode
anwendbar. Dazu wird beispielsweise in einer Brücke mit Potentiometer ein temperaturempfindlicher
Widerstand in einen Brückenzweig und ein weiterer parallel zu dem Potentiometer
gelegt, so daß das Potential am Abgriff des Potentiometers und damit die Spannung,
die der Leitfähigkeit entsprechenden Spannung entgegenzuschalten ist, sich in der
geforderten Weise mit der Temperatur ändert. Auch mit einem Widerstandsthermometer
lassen sich in derartigen Brücken die Kompensationen durchführen.
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Eine besonders zweckmäßige Anordnung, die beliebige Änderungen der
Leitfähigkeit mit der Temperatur zu kompensieren gestattet, zeigt Fig. 6.
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Das Potentiometer P ist in die Brückendiagonale gelegt. Durch das
Widerstandsthermometer t6 ergibt sich aus der Spannungsänderung zwischen den beiden
Diagonalpunkten die erforderliche Neigungsänderung.
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Die Größe der Parallelverschiebung am Skalenanfang ist durch die
Bemessung des Widerstandes R4 gegeben. Der Brücke sind ferner die Widerstände R5
und R6 zugeordnet derart, daß der durch R7 fließende Grundstrom, unter Umständen
auch der Strom, der bei unterdrückten Meßbereichen am Skalenanfang durch die Elektrodenstrecke
fließt, kompensiert wird. Auch bei derartigen Anordnungen können Widerstandsthermometer
mit positivem oder negativem Temperaturkoeffizienten verwendet werden, und es lassen
sich die Beispiele für die möglichen Schaltungen im Rahmen der Erfindung beliebig
vermehren.
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Schließlich kann man statt der Temperatur auch die Leitfähigkeit
bzw. den Widerstand des Elektrolyts als Parameter auftragen und die Temperatur als
Ordinate. Man erhält bei dieser Darstellungsweise die gleichen Anordnungen, wie
bisher beschrieben, nur treten an Stelle der Thermometer die den Widerständen bzw.
Leitfähigkeiten der Elektrolyte proportionalen Spannungen, und umgekehrt.
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PATENTANspnücHE: I. Einrichtung zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit
von Flüssigkeiten, insbesondere zur Salzgehaltbestimmung, unter Verwendung einer
zur Temperaturkompensation bestimmten Brücke in einer an sich bekannten Kompensationsschaltung,
dadurch gekennzeichnet, daß eine durch einen Elektrolyt hervorgerufene Spannung
von dem Diagonalstrom einer Meßbrücke mit einem Widerstandsthermometer kompensiert
wird bei einer solchen Bemessung der Meßbrücke, daß der Diagonalstrom an sich für
diejenige Temperatur gleich Null wird, bei der sich die Näherungsgeraden der Leitfähigkeits-
oder Widerstandstemperaturkurve schneiden.