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Vorrichtung und Verfahren zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit
einer Flüssigkeitsprobe Die Erfindung betrifff eine Vorrichtung, insbesondere eine
Zelle, zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit einer Flüssigkeitsprobe und -betrifft
ein Verfahren zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit dieser Probe.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, fortlaufend eine Probe zu entnenmen,
uin den elektrolytischen Gehalt einer Waschlauezu bestimmen, uni die aus dem Zustand
der Lauge erhaltene Information dazu zu verwenden, die wasch- und Spülprogramme
festzusetzen und zu steuern. Alkalien und verschiedene Bei nigungsmittel werden
während des Waschvorgangs zugesetzt und während des Spülvorgangs entfernt. Eine
minimale Konzentration an Alkalien truß während des Waschvorgangs vorhanden sein,
um eine ausreichende Suspension in der Waschlauge aufrechtzu-.
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erhalten. Die Konzentration an Alkalien am Ende des Spülvorganges
muß bekanntlich in genauen Grenzen liegen, da ein Überschuß an Alkalien bei dem
letzten Spülvorgang ein Scheuern verursacht, was eine teuere, chemische wiederaufbereitung
notwendig macht. Es ist daher äußerst wichtig und unerläßlich, eine Konzentration
an Alkalien aus den Wasch- und Spüllaugen bzw. -flüssigkeiten zu beseitigen.
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Bisher -eIrde die Messung der Alkalität mit einer in dem Waschbehälter
angeordneten Zelle mit einem Paar Elektroden durchgeführt, die in sehr gutem Kontakt
mit den zu untersuchenden Wasch- und Spüllaugen bzw. -flüssigkeiten stehen. An die
Elektroden
wurde eine Spannung angelegt, und die Größe des Stroms, der dan in einer an die
zwei Elektroden angeschlossenen Schaltung flieht stellt, nach entsprechender Teuperaturkompensation,
eine Anzeige der elektrischen Leitfähigkeit und damit der Alkalität der waschlauge
dar, da die Alkalität proportional der Leitfähigkeit ist.
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Ein greßer Nachteil dieser zur Messung der Leitfähigkeit verwendeten
Zellen mit zwei Elektroden besteht darin, daß im allgemeinden nach einer bestijujuten
Betriebsdauer die Elektroden verschoutzt sind, infolgedessen der zwischen ihnen
fließende Strom vermindert ist, und sic dadurch eine falsche Leitfähig keit- und
damit auch eine falsche Alkalitätsanzeige ergibt.
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Um daher mit dieser Zelle eine genaue Anzeige zu erhalten,mu sie häufig
gereinigt werden.
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Die vorerwähnte Schwierigkeit ist aber nicht auf die üblichen Wascllvorgange
beschränkt, da eine Leitfähigkeitsmessung auch auf anderen Gebieten, beispielsweise
bei vorgereinigten und anderen Abwässern von äußerster Wichtigkeit ist; hierbei
ist oft erforderlich den Gehalt gelöster Festkürperpartikeln vor dem Entleeren oder
Ausgießen in einen Fluß, einen Abwasserkanal oder einen Gully zu messen. Die Leitfähigkeit
ist auch beim Färben und Reinigen von Textilien zu- Überwachen und Steuern der einzelnen
Vorgänge von großer Bedeutung.
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Gemäß der Erfindung ist daher eine Zelle zum Messen der elektrischen
Leitfähigkeit einer Flüssigkeitsprobe geschaffen, wobei die Zelle ein Gehause zur
Aufnahme der Flüssigkeitsprobe aufweist und ihr vier linear ausgerichtete Elektroden
angeordnet sind, von denen das äußere Elektrodenpaar an eine Quelle konstanten Stroms
und das innere Elektrodenpaar an die Eingangsanschlüsse eines Verstärkers mit hoher
Eingangsimpedanz angeschlossen ist, so daß die Spannung an den inneren Elektroden
ein Maß für den elektrischen spezifischen Widerstand der Flüssigkeitsprobe darstellt,
der ungekehert proportional der Leitfähigkeit ist.
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Ferner ist gemäß der Erfindung ein Verfahren zur Messung der elektrischen
Leitfähigkeit einer Flüssigkeitsprobe geschaffen, das dadurch gekennzeichnet ist,
daß die Flüssigkeit in eine Zelle mit vier linear zueinander ausgerichteten, in
ihr angeordneten Elektroden eingeleitet wird, ein konstanter Strom durch das äußere
Elektrodenpaar fließt und die Spannung an dem inneren Elektrodenpaar mittels eines
Verstärkers hoher Eingangsimpedanz gemessen wird, um ein Signal zu erhalten, das
den elektrischen spezifischen Widerstand der Flüssigkeitsprobe anzeigt, der umgekehrt
proportional der Leitfähigkeit ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Verfahren zum Vergleich
der elektrischen Leitfähigkelt zweier Flüssigkeitsproben vorgesehen, das dadurch
gekennzeichnet ist, daß die Proben in entsprechende Zellen eingeleitet werden, die
je-Pfeils vier linear zueinander ausgerichtete Elektroden aufweisen, darin ein gleicher,
konstanter Strom an die äußeren EleR;-troden jeder der Zellen angelegt wird, daß
die Spannung an deil inneren Elektroden der beiden Zellen mittels entsprechender
Verstärker mit hoher Eingangsimpedanz gemessen wird, daß der konstante Strom in
Abhängigkeit von der Spannung verändert wird, die an dem inneren Elektrodenpaar
einer der Zellen gemessen wird, ua die Spannung an diesem Elektrodenpaar auf einem
konstanten, vorherbestimmten wert zu halten, und daß die Ausgangsspannungen der
Verstärker mit hoher Eingangsim-Pedanz verglichen werden, uin eiii Signal zu erzeugen,
das die Differerz in der Leitfähigkeiten der Flüssigkeitsproben anzeigt.
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ieiterc Eimzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines
Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die anliegemdeu Zeichnungen im einzelnen
erläutert. Bs zeigen: Fig.1 eine Steuerschaltung mit einer Zelle gemäß der Erfinfiung
Fi6.2
eine Anordnungsanrt der Elektroden in der Zelle; Fig.3 eine Anordnung von zwei Zellen,
die erforderlich ist, um die. Wasch- und Spülvorgänge in eineiu aschbehälter festzusetzen
und zu steuern; und Fig.4 ein Schaltdiagramm, das in Verbindung mit der Zelle gemaß
der Erfindung verwendbar ist.
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Die in Fig.1 dargestellte, ingesamt mit 10 bezeichnete Zelle gemaß
der Erfindung weist ein Gehäuse 12 mit zwei Paaren linear ausgerichteter, in diesem
angeordneter Elektroden 1'4 und 16 auf. Die aulveren Elektroden sind an eine konstanten
Wechselstron: liefernde Quelle 18 angeschlossen, von der ein kann stanter Strom
durch die in dem Gehäuse 12 enthaltene Flüssigkeitsprobe fließt. Vorteilhafterweise
beträgt die Frequenz der den konstanten Strom liefernden Quelle gewöhnlich i khz.
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Die Elektroden 16 sind an die Eingangsanschlüsse eines Verstärkeres
20 mit hoher Eingangsimpedanz angeschlossen.
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Wenn dann eine Spannung an die äußeren Elektroden 14 angelegt wird,
fließt ein Aonstanter Strom durch die in dem Gehäuse 12 enthaltene Flüssigkeitsprobe.
Der Verstärker 20 überwacht den Sannungsabfall an der Flüssigkeitsprobe zwischen
den zwei inneren Elektroden 16. Dieser Spannungsabfall ist eine Ümkenrfunktion der
Leitfähigkeit der Flüssigkeitsprobe. Aufgrund der hoheii Eingangsimpedanz des Verstärkers
führen die inneren Elektroden 16 nur einen sehr kleinen Strom und infolgeedesse
ist der Spannungsabfall an den Elektroden 16 im wesentlichen unabhängig von irgendeiner
Verschmutzung der inneren Elektroden.
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Es ergibt sich aber ein Verschmutzen der äußeren Elektroden, das bewirkt,
daß die Spannung an diesen ansteigt, da der Strom konstant bleibt. Diese Spamlungszunahme
wird dazu benutzt, um den Verschmutzungsgrad der äußeren Elektroden anzuzeigen.
Vorausgesetzt, daß die Verschmutzung nicht ausreicht,
um die Leistung
der Quelle konstanten Stroms zu beeinflussen, ist das Signal von den inneren Elektroden
wahrnehmbar nicht von der Verschmutzung abhängig.
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Sollte aber die Verschmutzung sps stark sein, daß sie die Leistung
bzw. das Betriebsverhalten der Quelle konstanten Stroms beeinflußt, dann nimmt die
Spannung an den äußeren Elektroden sehr stark zu und kann zur Abgabe eines Warnsignals
verwendet werden, durch das angezeigt wird, daß die Elektroden gereinigt werden
müssen. Wenn die Zelle dazu verwendet wird, die Alkalität der Lauge, beispielsweise
in einer Waschmaschine eines iWäscllereibetriebs zu messen, dann kann die Spannungszunahme
dazu verwendet werden, um eine Spannungspegel-Einrichtung zu betreiben, Uns mit
dieser einen sichtbaren oder hörbaren Alarm auszulösen und die betreffende Waschmaschine
außer Betrieb zu setzen.
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;fi1hrenã des Vorgangs muß der Elektrolytgehalt der Hauptwasserversorgung
mit dem Gehalt der zu überwachenden Probe in dem Waschbehälter verglichen werden.
Insbesondere während des Spülvorgangs besteht das Ziel darin, den Gehalt an gelösten
Festkörperbestandteilen in der Spüllauge bzw. -flüssigkeit auf einen Pegeiwert zu
vermindern, der den des aus der Üauptversorgungsleitung zuströmenden Wassers nicht
um mehr als einen vorbestimmten Betrag überschreitet. Der Grund hierfür ist t darin
zu sehen, daß sich der Elektrolytgehalt des Zuleitungswassers in kurzen Zeitabschnitten
und an verschiedenen Stellen beträchtlich ändert und es infolgedessen nur durch
Vergleich der von den zwei Zellen erhaltenen Anzeige-bzw. Ablesewerte. möglich ist,
den überschüssigen Gehalt an Festkörpern oder die Alkalität der Flüssigkeits- bzwe
Laugenprobe in dem Waschbehälter zu bestimmen.
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In i'ig.2 besteht die bevorzugte Ausführungsform der Zellen aus einem
zylindrischen Gehäuse 12 mit vier in diesem angebrachten ringförmigen Elektroden
14, 16. Einla13- und Auslaßöffnungen 22 bzw. 24 sind bezüglicn der Längsachse des
Gehäuses
in axialer Richtung ausgerichtet so angeordnet, daß die
zu untersuchende Flüssigkeit bzw. Lauge in die Zelle zur Entnahme einer Probe eingeleitet
wird und nach der Probenentnahme aus dieser wieder herausfließt. Ein entsprechender
elektrischer Anschluß 26 ist für jede der Elektroden vorgesehen; die Anschlüsse
verlaufen durch das Gehäuse 12 und enden jeweils an einem Isolierblock 28.
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Obwohl in der folgenden Beschreibung der Fig.3 auf die Wasth-und Spülvorgänge
in einer Waschmaschine Bezug genommen wird, können, wie bereits oben erwähnt ist,
die Zellen und die Verfahren gemäß der Erfindung auch für andere Anwendungszwecke
einschließlich der Messung und Steuerung der elektrischen Leitfähigkeit verwendet
werden, wobei allerdings jeweils zwei Zellen verwendet werden müssen, und wobei
eine Zelle als Bezugszelle benutzt wird, um den Unterschied im Elektrolytgehalt
der die Flüssigkeitsprobe enthaltenden Zelle anzuzeigen.
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In Fig.3 sind die inneren Elektroden einer ersten Meßzelle 30 mit
den Eingangsanschlüssen eines Verstärkers Al mit hoher Eingangsimpedanz und einer
Verstärkung von eins verbunden, dessen Ausgang einem Eingangsanschluß eines Differentialverstärkers
A2 zugeführt wird. Ein entsprechendes Bezugssignal S wird dem anderen Eingangsanschluß
des Verstärkers A2 zugeführt.
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Dieses Signal kann vorteilhafterweise eine Frequenz von i kHz aufweisen.
Der Ausgang des Verstärkers A2 wird dem Eingang eines Verstärkers A3 hoher Verstärkung
zugeführt, dessen Ausgang die Größe des den Elektroden 14 der helle 30 zugeführten,
konstanten Stroms steuert.
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Dieser "konstante Strom, der praktisch unabhängig von dem Zellenwiderstand
ist, wird der Zelle 30 zugeführt und so eingestellt, daß die Spannung an den Elektroden
trotz Änderungen in der Leitfähigkeit der Zellenflüssigkeit bzw. -lauge praktisch
konstant bleibt. Der Strom, der erforderlich ist, um die Spannung an den Elektroden
16 konstant zu halten, hangt von der Leitfähigkeit der Zellenflüssigket bzw. -lauge
ab.
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Ein zweiter "konstantern Strom von gleicher Größe, wie der an die
Zelle 30 angelegte Strom, wird auch an die Zelle 32 angelegt. Die Zelle 30 enthält
die Waschflüssigkeit bzw. --lauge und die Zelle 32 das Leitungs- oder anderes Wasser,
das zum Spülen bzw. als Bezugsgröße verwendet wird. Ein Verstarker Ail entspricht
dem Verstärker Al und sein Ausgang ist dem Differential- oder Subtraktionsverstärker
A2 zugeführt. Der Ausgang des Verstärkers Al wird dem anderen Eingang des Verstärkers
A2 zugeführt, so daß das Differenzsignal, entsprechend verstärkt, am Ausgang des
Verstärkers A2t erscheint. Der Ausgang dieses Verstärkers hängt von dem Unterschied
in der Leitfähigkeit der Flüssigkeit bzw. Lauge in der Zelle 30 gegenüber der des
Spülwassers oder der Bezugsprobe in der Zelle 32 ab. Normalerweise ist natürlc h
die Leitfähigkeit der Flüssigkeit bzw. der Lauge in der Zelle 30 größer als die
der Flüssigkeit in der Zelle 32. Der Ausgang des Verstärkers A2' wird dem Eingang
eines Verstärkers A3 zugeführt, der gwöhnlich bzw. vorteilhafterweise eine veränderliche
Verstärkungshennlinie aufweist, so daß es möglich ist, den Meßbereich auf eine geforderte
Größe im geforderten bzw.
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verlangten Maß zu vergrößern. Dieser Ausgang kann dann zur Steuerung
der Anzahl der Spülvorgänge verwendet werden, die erforderlich sind, um die verlangte
Güte der Spülflüssigkeit bzw. des Spülwassers zu erzeugen.
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Diese Anordnung mit zwei Zellen oder eine entsprechende geeignete
Abwandlung kann auch zur Steuerung der Verteilung von Alkanen in dem Waschvorgang
verwendet werden.
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In jeder der vorerwähnten Anordnungen müssen Korrekturen der Temperaturänderullgen
der Flüssigkeit bzw. Lauge vorgenommen werden. Für Kompensationsverfahren zur Temperaturkorrektur
können beispielsweise Thermistoren verwendet werden. In die Flüssigkeiten bzw. Laugen
eingetauchte Thermistoren können zusammen mit einer entsprechenden Schaltung dazu
verwendet werden, ein Temperatur-Korrektursignal zu erzeugen, das beispielsweise
an die Eingangsschaltung des Verstärkers A2' angelegt
wird.
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Bei der in Fig.4 dargestellten, einen konstanten Strom liefernden
Schaltungsanordnung sind die inneren Elektroden 16 der Meßzelle mit den Eingangsanschlussen
eines Verstärkers Al mit hoher Eingangsimpedanz und einer Verstärkung von eins und
die inneren Elektroden 16 der Bezugszelle an die Eingangsanschlüsse eines dem Verstärker
Al entsprechenden Verstärkers Al' angeschaltet. Die Ausgänge der Verstärker Al und
Alt sind mit den Eingangsanschldssen von Difierentialverstärkern A2 bzw. A2' verbunden;
die anderen Eingangsanschlüsse an den Verstärkern A2 und A2' sind an Erde angeschlossen.
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Andererseits können die anderen Eingangsanschlüsse auch als Eingänge
für Bezug.- oder Vergleichszwecke verwendet werden.
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Der Ausgang des Verstärkers A2 ist mit einem Eingangsanschluß eines
Verstärkers A3 verbunden, dessen anderer Eingangsanschluß mit ener niederfrequenten
(NF) Quelle verbunden ist; der Ausgang des Verstärkers A21 ist mit einem Anschluß
eines Verstärkers A3t verbunden, dessen anderer Eingang mit dem Ausgang des Verstärkers
A2 verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers A3' kann in gleicher Weise wie der
in Fig.3 dargestellte Verstärker A3t verwendet werden, und der Ausgang des Verstärkers
A3 stellt die Rückkopplung für die Konstantstrom-Regischaltung dar.
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Transistoren TR1 und TR2 sind Transistoren des komplementären Leitfähigkeitstyps
pnp bzw. npn und biLden eine Stromquelle mit hoher Impedanz. Ein Teil der niederfrequenten
Spannung am Ausgang des Verstärkers A3 wird über einen Spannungsteiler Ri, R2 an
die Basis des Transistors TRJ angelegt; der resultierende Wechselstrom wird durch
einen Widerstand R4 am Emitter des Transistors TRI bestimmt. Ein Absenken des Kollektorstroms
des Transistors TR1 ist mittels eines Widerstands R5 am Emitter des Transistors
Tit2 durchgeführt.
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Ein Netzwerk aus einem ifiderstand R6, einem Gleichstromverstärker
und
Widerständen R7 und R8 schafft eine Gleichstromrückkopplung, um eine mittlere Dürhschnittsspannung
an den Kollektoren der Transistoren TRi und TB2 über Erdpotential aufrechtzuerhalten,
wobei eine Glättung mittels eines Kondensators C4 durchgeführt ist.
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Gleichstromverstärker A und A' sind jeweils an die positiven und negativen
Leitungen angeschlossen; der Ausgang des Gleichstromverstärkers A liefert vor der
Glättung ein entsp endes Signal, um die Zellen-Alarmschd tung zu betätigen Mit.
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tels Kondensatoren C2, C3 an den Emittern der Transistoren TRI und
TR2 wird eine Phasenverschiebung korrigiert, die Störschwingungen verursachen könnte.
Der Wechselstromausgang ist, wie in Fig.4 dargestellt is; mit der Elektrode 16 der
Meßzelle verbunden.
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An den Transist@r TT1' der Bezugszellenschaltung wird die gleiche
Spannung wie an den Transistor TR1 angelegt; die Bezugszellenschaltung, die in Fig.4
dargestellt ist, arbeitet auf die gleiche Weise wie die Mß@zellenschaltung.
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Bei der vorbeschriebenen Anordnung wird, ähnlich wie bei der in Fig.3
dargestellten Anordnung, der konstante Strom, der praktisch unabhängig von dem Zellenwiderstand
ist, der meßzelle 30 zugeführt und so eingestellt, daß die Spannung an der Elektrode
16 trotz der Leitfähigkeitsänderungen der Zellenflüssigkeit bzw. -lauge praktisch
vollkommen konstant bleibt. Gleichzeitig wird ein zweiter konstanter Strom der genauso
groß wie der der Zelle 30 zugeführte Strom iat, der Zelle 32 zugeführt.
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In der obigen Beschreibung bedeutet der Ausdruck "hohe Ispedanz" eine
Impedanz in der Größenordnung von 10 bis 15 M#.
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Bei dem unter Bezugnahme auf die Fig.3 und 4 beschriebenen Ausführungsbeispiel
ist den Erfindung dazu verwendet, wB den alkalischen Gehalt der Flüssigkeit bzw.
der Lauge in der Meßzelle
mit dem normalerweise niedrigeren, alkalischen
Gehalt der Fiüssigkeit in der Bezugszelle in Beziehung zu setzen.
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Selbstverständlich kann die Erfindung aber auch dazu verwendet werden,
um den alkalischen Gehalt der Fldssigkeit in der Meßzelle mit einem normalerweise
höheren alkalischen Gehalt einer Flüssigkeit in der Bezugszelle in Beziehung zu
setzen, wobei Vierte für ein Fehlen bzw. einen Mangel an Alkalien in der Meßzellenflüssigkeit
festgestellt und gemessen werden können,