DE1598075C3

DE1598075C3 -

Info

Publication number: DE1598075C3
Application number: DE19651598075
Authority: DE
Inventors: Hans Dr. 6700 Ludwigshafen Diebel
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1965-10-09
Filing date: 1965-10-09
Publication date: 1975-02-27
Also published as: DE1598075A1; DE1598075B2

Description

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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Konzentrationsbestimmung von Elektrolyten durch elektrodenlose Leitfähigkeitsmessung, enthaltend eine den zu bestimmenden Elektrolyten aufweisende Flüssigkeitsschleife, welche an einem ersten von einer Wechselspannungsquelle gespeisten Übertrager und an einem zweiten, die Spannung abnehmenden Übertrager angekoppelt ist, die zur Kompensation der vom Strom in der Flüssigkeitsschleife hervorgerufenen Magnetisierung je eine weitere Wicklung aufweisen, wobei zur selbsttätigen Kompensation die erste Wicklung des zweiten Übertragers an den Eingang eines Verstärkers angeschlossen ist.

Nach einer bekannten Anordnung wird die an einer weiteren Wicklung des zweiten Transformators auftretende Spannung direkt als Maß für die Leitfähigkeit der Flüssigkeit verwendet. Diese Meßanordnung erfordert jedoch eine stabilisierte Spannungsquelle zur Speisung des ersten Transformators und einen stabilisierten Verstärker zur Anzeige der Ausgangsspannung des zweiten Transformators. Eine weitere unerläßliche Voraussetzung für diese Anordnung ist. daß die Eigenschaften des zweiten Transformators, z. B. die Temperaturabhängigkeit der Permeabilität, nicht in die Messung eingehen. Das erfordert die Verwendung einer höheren Frequenz als 50 Hz, da sonst der induktive Widerstand der Eingangswicklung des zweiten Transformators zu klein ist. Dieses bekannte Meßverfahren und entsprechende Anordnungen bedingen daher durch den benötigten stabilisierten Oszillator und den stabilisierten Verstärker einen erheblichen und teuren Aufwand.

Anderen bekannten Meßanordnungen liegt ein Kompensationsverfahren zugrunde, bei dem die von der Flüssigkeitsschleife erzeugte Magnetisierung des zweiten Transformators mit Hilfe einer zusätzlich veränderlichen Kopplung beider Transformatoren kompensiert wird.

Diesem Zweck dienen weitere Wicklungen auf beiden Transformatoren, die mit einem veränderlichen Widerstand derart in Reihe geschaltet sind, daß die im zweiten Transformator erzeugte Magnetisierung der von der Flüssigkeitsschleife herrührenden Magnetisierung entgegengerichtet ist. Wird diese Kompensationsschleife mittels des veränderlichen Widerstandes so abgeglichen, daß die Ausgangsspannung und damit die Magnetisierung des zweiten Übertragers Null ist, dann ist der meßbare Wert dieses Widerstandes proportional dem Flüssigkeitswiderstand. — Diese Anordnung zur Messung erfordert keine stabilisierte Speisespannung für den ersten Transformator, und es gehen die temperaturabhängigen magnetischen Eigenschaften des zweiten Transformators nicht in die Messung ein, weil dessen Ausgangsspannung stets auf Null abgeglichen wird. Ferner kann mit ihr auch in günstigen Fällen, z. B. bei Elektrolyten mit hoher spezifischer Leitfähigkeit, noch mit Netzfrequenz gemessen werden. Ein stabilisierter Oszillator ist also nicht erforderlich (siehe »Chemische Technik« 1958, S. 207 ff). Der Aufwand ist jedoch auch für die letztgenannte Anordnung insofern noch groß, als ein motorischer Abgleich verwendet werden muß. Die Verwendung eines motorischen Abgleichs hat zur Folge, daß die zulässige Entfernung zwischen Leitfähigkeitsgeber und Anzeige beschränkt bleibt. Die entsprechenden Verbindungsleitungen müssen sorgfältig geführt sein, weil die zu messenden Spannungen außerordentlich klein sind und können daher leicht von Störspannungen überlagert werden. Bei motorisch ausgeführten Kompensationsmessungen ist es auch nicht ohne weiteres möglich, im Bedarfsfall auf eine höhere Meßfrequenz überzugehen. Schließlich sind beim Zusammenbau des Gebers mit der motorischen Kompensationseinrichtung bisher keine befriedigenden Lösungen zu erzielen gewesen.

Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Anordnung zur Konzentrationsbestimmung von Elektrolyten durch elektrodenlose Leitfähigkeitsmessung zu schaffen, für die aufwendige stabilisierte Oszillatoren und Verstärker nicht erforderlich sind und bei der die Kompensation der aus der Flüssigkeitsschleife sich ergebenden Magnetisierung des zweiten Transformators mit geringerem Aufwand als bisher erfolgt. Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die diese Magnetisierung

kompensierende Wicklung des zweiten Übertragers an dem Ausgang eines elektronischen Multiplikators, vorzugsweise eines Hall-Multiplikators, angeschlossen ist, dessen erster Eingang mit der weiteren Wicklung des ersten Übertragers oder der Spannungsquelle verbunden ist, während der zweite Eingang des Multiplikators an dem einen gleichgerichteten und gesiebten Strom liefernden Ausgang des Verstärkers angeschlossen ist.

Bei dieser erfindungsgemäßen Anordnung ist die Ausgangsspannung des Multiplikators proportional der Spannung des ersten Transformators und proportional dem Ausgangsstrom des Verstärkers. Da die vom Strom in der Flüssigkeitsschleife hervorgerufene Magnetisierung des zweiten Transformators proportional der Spannung des ersten Transformators und proportional der Leitfähigkeit der Flüssigkeit ist, ist nach dem Abgleich dieser Meßanordnung folglich der Feldstrom des Multiplikators proportional der Leitfähigkeit der Flüssigkeit.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Ausgang des Multiplikators über einen dem Temperatureinfluß des zu bestimmenden Elektrolyten ausgesetzten temperaturabhängigen Widerstand mit der Kompensationswicklung des zweiten Transformators verbunden.

Die Erfindung wird durch die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert.

Die F i g. 1 zeigt die grundsätzlichen Anordnungsmerkmale nach der Erfindung, bei der ein Hall-Multiplikator 7 zur Anwendung kommt. Die von einer Spannungsquelle 1 abgegebene Wechselspannung wird mittels eines Ringkerntransformators 2 auf eine Flüssigkeitsschleife 3 des Elektrolyten induktiv übertragen, dessen Konzentration fortlaufend zu bestimmen ist. Vorzugsweise wird hierfür eine Spannungsquelle 1 mit Netzfrequenz verwendet. Der in der Flüssigkeitsschleife 3 auf Grund der Leitfähigkeit des Elektrolyten fließende elektrische Strom erzeugt im zweiten Ringkerntransformator 4 eine Magnetisierung und folglich an der Ausgangswicklung 4 a des Ringkerntransformators 4 eine Ausgangsspannung.

Diese in der Ausgangswicklung 4 a entstehende Wechselspannung liegt am Eingang eines Wechsel-Spannungsverstärkers Sa. Die Ausgangsspannung dieses Verstärkers 5 α wird in einer Gleichrichteranordnung 5 b phasenabhängig gleichgerichtet, wobei die Bezugsspannung von der Speisespannung 1 abgeleitet ist. Gegebenenfalls erfolgt noch eine Nachverstärkung in einem Gleichspannungsverstärker 5 c. Der Ausgangsgleichstrom der gesamten Verstärkeranordnung 5 fließt über ein Anzeigeinstrument 6 und die den zweiten Eingang y-y des Multiplikators 7 bildende Feldwicklung des Hall-Generators.

Die aus einer weiteren Wicklung 2 b des ersten Transformators 2 oder aus der Spannungsquelle 1 entnommene Wechselspannung läßt über den ersten Eingang mit den Anschlüssen x-x des Multiplikators 7 einen Steuerstrom fließen. Das Produkt aus dem Ausgangsgleichstrom des Verstärkers 5, der über den zweiten Eingang y-y des Multiplikators 7 fließt und aus dem Steuerstrom am ersten Eingang x-x des Multiplikators 7, wird als Ausgangsspannung über die Anschlüsse z-z. des Multiplikators 7 abgegeben. Der an den Anschlüssen z-z abgegebene Strom erzeugt über eine weitere Wicklung 4 b des Transformators 4 eine Magnetisierung, die jener Magnetisierung entgegengerichtet ist, die durch Strom in der Flüssigkeitsschleife 3 hervorgerufen wird.

Diese Meßanordnung gleicht sich bei genügender Verstärkung so ab, daß die Ausgangsspannung an der Wicklung 4 a des Transformators 4 praktisch Null ist. Damit ist die von dem elektrischen Strom in der Flüssigkeitsschleife 3 hervorgerufene Magnetisierung des Transformators 4 gleich der durch den Strom des Multiplikators 7 erzeugten. Da beide Ströme proportional der Eingangsspannung sind, der erste außerdem proportional der Leitfähigkeit des zu bestimmenden Elektrolyten ist und der zweite ferner proportional dem Feldstrom des Multiplikators 7, ist der Feldstrom auch proportional der zu bestimmenden Leitfähigkeit, und zwar unabhängig von der Speisespannung 1 des ersten Transformators 2. Im übrigen können bei dieser Anordnung die Eingänge des Multiplikators 7 auch vertauscht werden.

F i g. 2 zeigt unter Verzicht auf eine schematische räumliche Darstellung der Flüssigkeitsschleife 3 eine mit Temperaturkompensation und Nullpunktsunterdrückung ausgeführte Anordnung unter Beibehaltung der grundsätzlichen Merkmale der Erfindung. Als Ersatzschaltbild dargestellt, ist hierbei die Flüssigkeitsschleife 3 zu gliedern in die zusätzliche Ausgangswicklung 2 c des Transformators 2, eine zusätzliche Eingangswicklung 4 c des Transformators 4 und in einen Widerstand 3 a, der den ohmschen Widerstand der Flüssigkeitsschleife repräsentiert. Der meßbare Wert dieses Widerstandes 3 α ist eine Funktion der Konzentration und auch der Temperatur des Elektrolyten. Im allgemeinen kann man diese Funktion mit genügender Genauigkeit aufteilen in ein Produkt aus einer konzentrationsabhängigen Funktion R (C) und eine temperaturabhängige Funktion φ (T). Der Widerstand 3 a der Flüssigkeitsschleife 3 ist also R = R (C) · φ (T), und der magnetische Fluß Φ_ν der durch die Wicklung 4 c erzeugt wird, ist dann

φ ^u 1

¹^ ^E' R(C)-Cf(T)

Die von der Spannungsquelle 1 gelieferte Eingangsspanung des Transformators 2 ist dabei mit U_E bezeichnet. Um die Temperaturabhängigkeit zu kompensieren, schaltet man einen temperaturabhängigen Widerstand 8 von gleicher Temperaturabhängigkeit wie der fortlaufend zu bestimmende Elektrolyt R=R_K- φ (T) in die Verbindung zwischen dem Ausgang z-z des Multiplikators 7 und der Kompensationswicklung 4 b. Ist der temperaturabhängige Widerstand 8 groß gegen den Widerstand des Multiplikators 7, dies ist eine leicht zu erfüllende Bedingung, da ein als Multiplikator 7 zur Anwendung kommender Hall-Generator einen Widerstand in der Größenordnung von nur 1 Ohm hat, und sind der induktive Widerstand der Wicklung 4 b sowie der nicht veränderliche Widerstand 9 ebenfalls klein, so ist der über die Wicklung 4 b fließende Strom und damit die Magnetisierung

¹M

wobei mit I_M der über die Eingangsanschlüsse y-y des Multiplikators 7 bzw. im speziellen Fall über die Feldspule des Hall-Generators fließende Ausgangs-

gleichstrom des Verstärkers 5 bezeichnet ist. Bei Abgleich Φ_χ = Φ₂ ist dann

ist nur proportional B, da der Steuergleichstrom konstant ist,

U ^B' —

unabhängig von der Temperatur.

Die Nullpunktsunterdrückung wird erreicht durch Einspeisen einer Spannung, die einer weiteren Wicklung 2 d des Transformators 2 oder der Spannungsquelle 1 entnommen und über einen Widerstand 9 mit den Anschlüssen z-z des Multiplikators 7 und den temperaturabhängigen Widerstand 8 in Reihe geschaltet ist. Da der Widerstand 9 klein gegen den den Temperatureinfluß kompensierenden Widerstand 8 ist und die an 9 abfallende Spannung proportional U_E, ist folglich

_Λ _TT Im + K
Φ l/

und bei Abgleich

Φ₂

R(C)

~K

Ein Widerstand 10 dient in dieser Schaltung zur Einstellung der am Widerstand 9 abfallenden Spannung. Mit einem Widerstand 11 wird der Transformator 4 belastet, um die am Verstärker 5 liegende Eingangsspannung mit der von der Speisespannung 1 entnommenen Bezugsspannung für die phasenabhängige Gleichrichtung S b annähernd gleichphasig zu machen. Ein mit der Wicklung 2 b in Reihe geschalteter Widerstand 12 dient einmal als Eichwiderstand für die Empfindlichkeitseinstellung der Meßanordnung, und weiter sorgt er für einen annähernd eingeprägten Strom über den Hall-Generator, womit dessen Temperaturabhängigkeit weitgehend ausgeschaltet ist.

F i g. 3 zeigt als Schaltungseinzelheit ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Hall-Generator als Multiplikator 7, bei dem die Anzeige unabhängig von dem Multiplikationsfaktor des Hall-Generators ist. Hierzu wird über die Anschlüsse x-x des Hall-Generators außer einem Steuerwechselstrom ein Steuergleichstrom aus einer stabilisierten Gleichspannungsquelle 14 über einen Widerstand 13 geleitet.

Die vom Hall-Generator abgegebene Wechselspannung ist

U„

R(C)

wobei B die Feldstärke bezeichnet, der der Hall-Generator ausgesetzt ist. Die vom Hall-Generator über die Anschlüsse z-z abgegebene Gleichspannung und unabhängig vom Feld B und damit auch unabhängig von dem Multiplikationsfaktor des Hall-Generators. Die über die Anschlüsse z-z des Hall-Generators abgegebene Gleichspannung wird in

ίο einem Gleichspannungsverstärker 15 verstärkt und am Meßgerät 6 angezeigt.

In F i g. 4 ist eine erprobte Ausführungsform eines Gebers für die elektrodenlose Leitfähigkeitsmessung wiedergegeben. Sie entspricht in ihrer Raumform dem in der deutschen Patentschrift 1158 727 beschriebenen Geber für eine andere elektrodenlose Anordnung zur Konzentrationsbestirnmung von Elektrolyten. Ein die Ringkerntransformatoren 2 und 4 sowie andere Schaltungselemente aufnehmender Meßkörper 16 ist vorzugsweise ein zylindrischer Topf aus Kunststoff. Er besitzt oben einen Flansch 17 und ist in ein oben offenes Durchlaufgefäß 18 mit einem Zulaufstutzen 19 und einem Ablaufstutzen 20 einge- ( Q setzt. Ein Deckel 21 verspannt den Meßkörper 16 flüssigkeitsdicht mit dem Durchlaufgefäß 18. Die Flüssigkeitsschleife 3 wird im Meßkörper 16 durch eine diametrale Bohrung 21 und eine axiale Bohrung 22 gebildet. Die Ringkerntransformatoren 2 und 4 sind übereinanderliegend in einen ringförmigen Hohlraum 23 des Meßkörpers 16 von unten her eingeschoben und darin flüssigkeitsdicht verpackt. Der in den Zulaufstutzen 19 eintretende Elektrolyt strömt sowohl außen am Meßkörper 16 vorbei als auch mit einem Teilstrom durch die Bohrungen 21 und 22.

Der temperaturabhängige Widerstand 8 ist vorzugsweise in der Nähe der Bohrung 21 im oder am Meßkörper 16 angeordnet, auf daß er die gleiche Temperatur annimmt wie die Flüssigkeit in der Meßstrecke. Der Multiplikator 7 befindet sich im oberen geschlossenen Hohlraum 24 des Meßkörpers 16 oder in der Verstärkeranordnung. Die Anschlüsse 25 für die Speisespannung 1, den Verstärker 5 und den Eingang y-y des Multiplikators 7, im speziellen Fall für die Feldspule des verwendeten Hall-Generators, ^

sind nach oben herausgeführt.

F i g. 5 zeigt als Einzelheit den Meßkörper 16 in einer anderen Ausführungsform, bei der die Ringkerne 2 und 4 einschließlich des Multiplikators 7 in einen vorzugsweise quaderförmigen Kunststoffkörper eingegossen sind und die Flüssigkeitsschleife 3 von einer durchflossenen Bohrung 26 in diesem Körper und der außen herum fließenden Flüssigkeit gebildet wird. Der Temperaturkompensationswiderstand 8 ist wiederum am oder im Meßkörper 16 angebracht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Konzentrationsbestimmung von Elektrolyten durch elektrodenlose Leitfähigkeitsmessung, enthaltend eine den zu bestimmenden Elektrolyten aufweisende Flüssigkeitsschleife, welche an einem ersten von einer Wechselspannungsquelle gespeisten Übertrager und an einem zweiten die Spannung abnehmenden Übertrager angekoppelt ist, die zur Kompensation der vom Strom in der Flüssigkeitsschleife hervorgerufenen Magnetisierung je eine weitere Wicklung aufweisen, wobei zur selbsttätigen Kompensation die erste Wicklung des zweiten Übertragers an den Eingang eines Verstärkers angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die diese Magnetisierung kompensierende Wicklung (4 ft) des zweiten Übertragers (4) an dem Ausgang (z-z) eines elektronischen Multiplikators (7), vorzugsweise eines Hall-Multiplikators, angeschlossen ist, dessen erster Eingang (x-x) mit der weiteren Wicklung (2 b) des ersten Übertragers (2) oder der Spannungsquelle (1) verbunden ist, während der zweite Eingang (y~y) des Multiplikators (7) an dem einen gleichgerichteten und gesiebten Strom liefernden Ausgang des Verstärkers (5) angeschlossen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (z-z) des Multiplikators (7) über einen dem Temperatureinfluß des zu bestimmenden Elektrolyten ausgesetzten temperaturabhängigen Widerstand (8) mit der Wicklung (4 b) des Transformators (4) verbunden ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Nullpunktunterdrückung der Meßanordnung eine aus einer weiteren Wicklung (2d) des ersten Transformators oder der Spannungsquelle (1) abgenommene Spannung mit der Ausgangsspannung des Multiplikators (7) in Reihe geschaltet ist.