DE2533943C2 - Meßzelle zum Bestimmen der elektrischen Leitfähigkeit von Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßzelle zum Bestimmen der elektrischen Leitfähigkeit von Flüssigkeiten, bestehend aus im Inneren eines isolisrenden Rohres koaxial zum Abstand zueinander angeordneten Ringeiektroden, nämlich einer ersten und einer vierten Elektrode, die als Stromelektroden dienen und mit einen regelbaren Wechselstromquelle verbunden sind, einer /weiten und einer dritten Elektrode zwischen der ersten und der vierten Elektrode, welche als Spannungselektroden dienen und einen Verstärker mit großer Eingangsimpsdanz speisen, mit welchem die Wechselstromversorgung so geregelt wird, daß an den Spannungselcktrodcn eine im wesentlichen konstante Spannung auftritt.

Bei solchen, beispielsweise aus der britischen Patentschrift 8 69 226 bekanntgewordenen Meß/.ellen bilden die beiden äußeren Elektroden Stromelekiroden, welche an eine Wechselstromquelle angeschlossen sind, während die inneren Elektroden als Spannungselektroden dienen. Eine solche Meßzelle kann man entweder nach dem Konstantstromverfahren oder dem Konstantspannungsverfahren betreiben. Beim Konstantstromverfahren wird den äußeren oder Stromelektroden ein konstanter Wechselstrom zugeführt Die an den inneren oder Spannungselektroden auftretende Spannung wird mit einem Wechselstrom-Voltmeter von hoher Eingangsimpedanz gemessen. Der Voltmeterausschlag ist ein Maß für die elektrische Leitfähigkeit der Flüsigkeit :o in der Zelle. Die Voltmeierablesung ist jedoch der gemessenen Leitfähigkeit umgekehrt proportional, so daß das Meßinstrument in unerwünschter Weise die Leitfähigkeit nicht unmittelbar anzeigt Beim Konstantspanaungsverfahren werden die äußeren Stromelcktroden beispielsweise aus einem spannungsgesteuerten Generator mit einem Strom von fester Frequenz und sich ändernder Amplitude gespeist Die an den Spannungselektroden gemessene Spannung hängt ab vom Generatorstrom und der Leitfähigkeit der Flüssigkeit in der Zelle.

Diese Spannung wird in einem Verstärker mit großer Eingangsimpedanz verstärkt und dann in einen Komparator eingegeben, wo diese Spannung mit einem Bezugssignal verglichen wird. Der Ausgang das Komparators wird dem spannungsgesteuerten Generatoraus gang in solcher Weise zugeführt daß die Stromelektroden einen Strom empfangen, dessen Größe so eingestellt ist, daß an den Spannungselektroden eine konstante Spannung aufrechterhalten wird. Der unter solchen Bedingungen zugcfOhrte Strom ist der elektrischen Leitfähigkeit der Flüssigkeit innerhalb des dynamischen Amplitudenbereiches des spannungsgesteuerten Generators unmittelbar proportional.

Wenn an den Stromelektrodenoberflächen Verschmuvzungen auftreten, die zu einer zusätzlichen Impe danz an der Flüssigkeits-Elcktroden-Grenzschicht führen, weil von den Spannungselektroden ein vernachlässigbarer Strom aufgenommen wird, bleibt die Spannung an den Spannungselektroden innerhalb bestimmter Grenzen unbeeinträchtigt, so daß der Strom für einen bestimmten Leitfähigkeitswert korrekt bleibt, während die Spannung an den Stromelektrodcn größer werden kann aufgrund der durch die Verschmutzung hervorgerufenem Impedanzvergrößerung. Eine korrekte Arbeitsweise ist so lange sichergestellt, wie die Verschmut zungsimpedanzen an den Stromelektroden nicht außerhalb des dynamischen Amplitudenbereiches des spannungsgesteuerten Generators eine Spannungszufuhr an den Stromelektroden erfordern.

5i) Das Konstantspannungsverfahren hat der. Vorteil, daß es eine direkte Ablesung ermöglicht.

A.ufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Meßzelle der einleitend genannten Art, in welcher bei der Bestimmung der Leitfähigkeit von Flüssigkeiten innerhalb der Meßzelle .-in zu Meßfehlern führender Fluß elektrischer Ströme außerhalb der Zelle, beispielsweise in dem angeschlossenen geerdeten metallischen Rohrsystem verhindert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch 6Q eine koaxial zu den ersten und vierten Elektroden angeordnete fünfte Ringelektrode, die mit der ersten Elektrode über einen Zwischenvcrstärkcr verbunden ist, welcher gegenüber der ersten Elektrode eine große Impedanz und gegenüber der fünften Elektrode eine niedh5 rigc Impedanz hat, wobei die fünfte Elektrode neben der ersten Elektrode auf der von den Spannungselcktroden und der vierten Elektrode abgelegenen Seite angeordnet ist.

Bei bestimmten, insbesondere medizinischen Anwendungen, wie z. B. bei einer künstlichen Niere, ist es wichtig, daß Fehlerströme zu geerdeten Leitungssystemen oder dergl. nicht auftreten können. Zu diesem Zweck ist es gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung von Vorteil, eine koaxial zur fünften Elektrode angeordnete sechste Ringelektrode vorzusehen, die sich neben der fünften Elektrode an der von den anderen vier Elektroden abgelegenen Seite befindet und zusammen mit der vierten Elektrode an Erde liegt, um einen Ableitungspfad für den Fehlerstrom der fünften Elektrode zu bilden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 3 und 4.

Nachfolgend wird anhand der Zeichnung eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Meßzelle zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit von Flüssigkeiten,

und
Fig.2 ein Schaltschema für die Meßzene gemäß

Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Meßzelle ist im wesentlichen so aufgebaut, wie es die britische Patentschrift 8 69 226 in Fig. 5 zeigt Die Meßzelle besteht aus einem Rohr 10 aus elektrisch isolierendem Material, in dessen Bohrung 11 in koaxialer Anordnung Ringelektroden 1 bis 6 angeordnet sind. Die Innenflächen der Elektroden 1 bis 6 verlaufen bündig zur Wandung der Bohrung 11.

Die Elektroden 1 und 4 sind Stromelektroden und die Elektroden 2 und 3 Spannungselektroden. Die genannten Elektroden sind symmetrisch verteilt und der Abstand zwischen den Elektroden 2 und 3 ist etwa halb so groß wie der axiale Abstand zwischen den Elektroden 1 und 4. Wie noch nachfolgend erläutert werden wird, handelt es sich bei der Elektrode 5 um eine Treiberelektrode, die von der Elektrode 1 entsprechend dem Abstand zwischen den Elektroden 1 und 4 entfernt ist. Die Elektrode 6 hat von der Elektrode 5 den gleichen Abstand wie die Elektrode 1 von der Elektrode 5. Bei der Elektrode 6 handelt es sich um eine Schirmelektrode, die zusammen mit der Elektrode 4 an einer gemeinsamen Erdleitung liegt. An den einzelnen Elektroden 1 bis 6 befinden .»ich nicht dargestellte elektrische Zuleitungen, die aus dem Rohr 10 herausführen.

Wie F i g. 2 zeigt, sind die Stromelektroden 1 und 4 mit der Sekundärwicklung 12 eines Ausgangstransformators 14 eines spann-ingsgesteuerten Generators für veränderbare Amplitude und feste Frequenz über Rcihenwiderstände 18 und ?0 verbunden. Die beiden Widerstände 18 und 20 liegen zwischen der Elektrode 4 und der Sekundärwicklung 12. Bei dem Generator handelt es sich um eine regelbare Wechselstromversorgung für die Stromelektroden 1 und 4.

Die Elektrode 6 ist mit der Elektrode 4 an eins gemeinsame Erdleitung 22 angeschlossen.

Die Spannungselektroden 2 und 3 speisen den Eingang eines Verstärkers 24 von großer Eingangsimpedanz. Der Ausgang des Verstärkers 24 ist mit einem Komparator 26 verbunden, der aus einer bei 28 angedeuteten Quelle ein Bezugssignal empfängt. Das am Ausgang des Komparator auftretende Fchlcrsignal wird" dein Generator 16 zugeführt, um die Amplitude des Generatorausganges so zu steuern, daß die Spannung an den Spannun^selcktrodcn 2 und 3 im wesentlichen konstant gehalten wird.

Die Elektrode 5 ist mit dem Ausgang des Transformators 14 über einen Zwischenverstärker 30 verbunden, der eine hohe Eingangsimpedanz und eine geringe Ausgangsimpedanz hau Der Eingang dieses Verstärkers 30 ist mit der Sekundärwicklung 12 und der Eingang des Verstärkers mit der Elektrode 5 über eine Abschirmung 32 verbunden, welche die Stromleitung umgibt, die die Ausgangswicklung 12 mit der Elektrode 1 verbindet.

Eine Temperaturkompensation ergibt sich über die Reihenwiderstände 18 und 20 und einen Thermistor 34, ίο weicher in der Leitfähigkeitszelle zwischen der Elektrode 4 und der Mittelanzapfung der Widerstände 18 und 20 liegt. Der Widerstand 20, welcher als Korrekturwiderstand dient, liegt außerhalb der Zelle.

Bekannterweise werden Leitfähigkeitsmessungen auf eine Standardtemperatur von 25° C bezogen. Der Stromfluß durch den Thermistor 34 ist der Leitfähigkeit proportional. Aufgrund des negativen Widerstandskoeffizienten eines Thermistors ändert sich der Widerstand umgekehrt proportional mit der Flüssigkeitstemperatur, deren gewünschte Größe h^ 25°C liegt. Der Paraliclwidcrstand 20 dient zur verminderung des Thermistor-Temperaturkoeffizienten von etwa 4% je Centigrad auf den von der Flüssigkeit geforderten Wert, daß sind etwa 2% je Centigrad.

Hochspannungsseitig sind an den Widerständen 18 und 20 zwei in Reihe geschaltete Verstärker 36 und 38 angeschlossen. Diese Verstärker verstärken die Spannung an den Widerständen 18 und 20, welche der elektrischen Leitfähigkeit der Flüssigkeit in der Zellenbohrung 11 unmittelbar proportional ist. Der Ausgang des Verstärkers 38 gelangt in einen phasenempfindlichen Gleichrichter 40, dem auch vom Ausgang des Verstärkers 24 eine Bezugsspannung zugeführt wird. Der ungeglättete Ausgang des Verstärkers 40 wird einem Integrator 42 zugeführt, welcher aus einem Verstärker 44 mit parallelgeschalteiem Kondensator 46 besteht. Der Gleichspannungsausgang des Integrators ist der gemessenen Flüssigkeitsleitfähigkeit unmittelber proportional. Diese Gleichspannung kann an einem Meßgerät zur Schau gestellt werden oder läßt sich auch weiter verstärken und in einen Gleichstrom umwandeln, der der gemessenen Leitfähigkeit proportional ist, um gegebenenfalls den Meßwert weiter fortzuleiten, \bweichend hiervon kann man auch den Gleichspannungsausgang des Integrators 42 für Punktregelungen innerhalb des Instrumentes verwenden.

Wenn nur ein geringerer Meßbereich benötigt wird, beispielsweise bei der Dialyse-Überwachung in künstlichen Nieren, in denen ein Bereich von 10 bis 16 Millisiemens je Zentimeter interessiert, ist es erwünscht den unteren Teil des Instrumentenmeßbereiches zu beseitigen, damit die Ablesegenauigkeit erhöht wird und üie !nst-jmenten-Ausgangsspannung an den Widerständen 18 und 20 zwischen Null und Maximum schwankt. Diese Meßbereichsbeg: cnzung 'vird dadurch e? möglicht, daß man den Verstärker 38 mit einer zusätzlichen Eingangs-Pufferspannung versieht. Diese Spannung, welche dem konstanten Spanriungsau-sgang des Verstärkers 24 proportional ist, kommt vom Potentiometer 48. Der Ver-Stärker 36 arbeitet als Summierverstärker, dessen Ausgangsspannung die Differenz der Eingangsspannungen ist. Die Größe der Spannungsdifferenz läßt sich durch Verstellen des Verstärkungsgrades des Verstärkers verändern.

Wenn die Eingänge aus den Verstärkern 24 und zum phasenempfindlichen Gleichrichter 40 gegenphasig sind, ergibt sich ein negativer Ausgang, während bei Phascngleichheit der Ausgang des Gleichrichters 40 po-

sitiv wird.

Der Nullpunkt für den positiven Ausgang des Verstärkers 40 ist somit auf den Zustand bezogen, bei dem die Eingänge des Verstärkers 38 einander gleich sind. Der positive Ausgang wird immer dann größer, wenn der Eingang aus dem Verstärker 36 zum Verstärker 38 größer wird als der vom Potentiometer 48 kommende Eingang. Durch geeignete Schaltmittel, beispielsweise mittels einer Diode, läßt sich der Eingang zum Integrator 42 auf positive Ausgänge des Gleichrichters 40 be- schränken.

Ein abgewandeltes Verfahren zur Temperaturkompensation besteht darin, anstelle des Thermistors 34 und der Widerstände 18 und 20 einen Festwiderstand zu verwenden, der dann die Stelle der Widerstände 18 und 20 einnimmt. Innerhalb der Meßzelle wird dann ein Temperaturfühler (beispielsweise ein Widerstandsthermometer) angeordnet, mit dessen Ausgang man die Amplitude des Ausganges des Verstärkers 36 verändern kann, um zu einer Temperaturkompensation zu kornmen.

Es ist zu beachten, daß die Elektroden 1 bis 4 als Strom- und Spannungselektroden in bekannter Weise arbeiten, während die Anordnung der Elektroden 5 und 6 im Falle der Elektrode 5 dafür sorgt, daß von der 2s Elektrode 1 ein Fehlerstrom abfließt, während im Falle der Elektrode 6 eine Erdableitung für den Fehlerstrom von der Elektrode 5 geschaffen wird. Auf diese Weise beeinträchtigt ein Fehlerstrom von der Elektrode 5 nicht die von den Elektroden 1 bis 4 durchgeführte Leilfähigkeitsmessung. Auch fließt von der Elektrode 5 kein Fehlerstrom zum umgebenden Leitungsnetz, da dies durch die mittels der Elektrode 6 bewirkte Erdablcitung verhindert wird.

Die gleichgroßen Abstände zwischen den Elektroden ! und 4, zwischen den Elektroden 1 und 5 und zwischen den Elektroden 5 und 6 bewirken, da die Elektroden i und 5 auf gleichem Potential liegen, wie die Elektroden 4 und 6, daß die Stromdichten in den Pfaden zwischen den Elektroden S und 6 und zwischen den Elektroden I und 4 im wesentlichen gleich werden. Somit sind dann auch die Spannungsprofile zwischen den Elektroden 5 und 6 und den Elektroden t und 4 ähnlich, so daß ein Fehlerstrom zwischen den Elektroden 1 und 5 minimal wird.

Das Kriterium für den Abstand zwischen den Spannungselektroden 2 und 3 liegt darin, daß es erwünscht ist, um an Verstärkung zu sparen, einen möglichst großen Ausgang von diesen Elektroden zu erzielen, und daß der Spannungsgradient zwischen diesen Elektroden im wesentlichen '»near sein sollte. Es ist ferner erwünscht, daß der erwähnte Abstand auf die Eichkonstante der Meßzeile abgestimmt ist. Wegen der Nichtlinearität des Spannungsgradienten im Elektrodenbereich, wurde festgestellt, daß das erwähnte Kriterium optimal erfüllt wird, wenn man den Abstand zwischen den Spannungseiektroden 2 und 3 halb so groß macht wie der Abstand zwischen den Stromelektroden 1 und 4 bei symmetrischer Anordnung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Meßzelle zum Bestimmen der elektrischen Leitfähigkeit von Flüssigkeiten, bestehend aus im Inneren eines isolierenden Rohres koaxial mit Abstand zueinander angeordneten R'ngslektroden, nämlich einer ersten und einer vierten Elektrode, die als Stromelektroden dienen und mit einer regelbaren Wechselstromquelle verbunden sind, einer zweiten und einer dritten Elektrode zwischen der ersten und der vierten Elektrode, weiche als Spannungselektroden dienen und einen Verstärker mit großer Eingangsimpedanz speisen, mit welchem die Wechselstromversorgung so geregelt wird, daß an den Spannungselektroden eine im wesentlichen konstante Spannung auftritt, gekennzeichnet durch eine koaxial zu den ersten und vierten Elektroden (1, 4) angeordnete fünfte Ringelektrode (5), die mit der ersten Elektrode (1) über einen Zwischenverstärker (30) verbunden ist, welcher gegenüber der ersten Elektrode (1) eine große Impedanz und gegenüber der fünften Elektrode (5) eine niedrige Impedanz hat, wobei die fünfte Elektrode (5) neben der ersten Elektrode (1) auf der von den Spannungselektroden (2,3) und der vierten Elektrode (4) abgelegenen Seite angeordnet ist.

2. Meßzelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine koaxial zur fünften Elektrode (5) angeordnete sechste Ringelektrode (6\ die sich neben der fünften Elektrode (5) an der vjn den anderen vier Elektroden abgelegenen Seite befindet und zusammen mit der vierten Elektrode (4) an Erde liegt, um einen Ableitungspfad für den Fr Verström der fünften Elektrode (5) zu bilden.

3. Meßzelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die axialen Abstände zwischen der ersten und vierten, der ersten und fünften und der fünften und sechsten Elektrode einander im wesentlichen gleich sind.

4. Meßzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite und dritte Elektrode (2, 3) symmetrisch zwischen der ersten und vierten Elektrode (1, 4) liegen, welch letztere etwa doppelt so weit voneinander entfernt sind wie die zweite und dritte Elektrode (2,3).