DE2646017A1

DE2646017A1 - Sonde zur messung der leitfaehigkeit einer loesung

Info

Publication number: DE2646017A1
Application number: DE19762646017
Authority: DE
Inventors: Giovanni Frigato
Original assignee: Sandoz AG
Current assignee: Sandoz AG
Priority date: 1975-10-13
Filing date: 1976-10-12
Publication date: 1977-04-21
Also published as: IT1048235B; US4160946A; CH611030A5; JPS5253497A; FR2328201B1; BE847215A; DE2646017C2; FR2328201A1

Description

MÜLLER-BORIS · BEUFEL · SCHÖJS · HERTEL

9 R L R Π 1 7

PATEIiTAIiWlLTE Λ. O H 0 U I /

DR. WOLFGANG MÜLLER-BORE (PATENTANWALT VON 1927 - 1975) DR. PAUL DEUFEL. DIPL-CHEM. DR. ALFRED SCHÖN. DIPL.-CHEM. WERNER HERTEL, DIPL.-FHYS.

S/S 89-38

Sonde zur Messung der Leitfähigkeit einer Lösung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sonde zur Messung der Leitfähigkeit und damit indirekt der Konzentration von Lösungen, insbesondere vcn Dialysebädern.

Bekanntlich erfolgt die Bestimmung der Konzentration einer Lösung indirekt über die Leitfähigkeit, die durch eine Messung des Leitwerts der Lösung selbst erhalten wird.

Eine derartige Leitv.'ertsmessung erfolgt mittels einer in die Lösung eingetauchten Sonde, die im- allgemeinen eine oder mehrere Elektroden hat, die einen Bipol bilden, der in einem Zweig einer Meßbrücke angeordnet ist, die mit Wechselspannung gespeist wird. Das von dieser Meßbrücke abgenommene Signal, das eine Funktion des Leitwerts der Lösung ist, wird in analoger

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MÜNCHEN 8β · SiEBEHTSTH. 4 · POSTFACH 860720 · KABEI.: MUEBOPAT · TEi. (089) 474005 · TELEX S-24285

Form in einem Instrument verwendet, das eine Anzeige dieses Leitwerts und damit schließlich der Leitfähigkeit und der Konzentration der Lösung erzeugt. Eine derartige Messung ist jedoch mit verschiedenen Fehlern verhaftet, vor allem,da die geometrischen Abmessungen der Elektroden, die den Bipol bilden, für alle hergestellten Elektroden üblicherweise nicht vollkommen gleich sind, weshalb für den Übergang vom Leitwert zur Leitfähigkeit nicht nur eine einzige Proportionalitätskonstante vorhanden ist.

Wenn außerdem die Elektroden der Sonde weit von der Meßbrücke angeordnet und mit dieser über ein Kabel verbunden sind, spielen Störparameter des Anschlußkabels eine beträchtliche Rolle, so daß die Messung verfälscht wird. Die Leitfähigkeit der Lösung ändert sich außerdem mit der Temperatur, weshalb es, um Meßfehler der Konzentration, die üblicherweise konstant bleibt, notwendig ist, diese Änderungen der Leitfähigkeit zu kompensieren.

Es wurden bereits einige Lösungen zur Verringerung dieser Fehler vorgeschlagen, z.B. zur Vermeidung derjenigen, die auf die verschiedenen geometrischen Abmessungen der Elektroden zurückzuführen sind, wobei jede Sonde einem eigenen Meßgerät zugeordnet wird, das so am Anfang geeicht werden kann. Dies führt jedoch zu einer kostspieligen Zuordnung eines Instruments für jede Sende und einer besonderen Aufmerksamkeit, um Wechsel beim Anschluß der Sonde an das· zugehörige Instrument zu vermeiden. Um die Änderung des Leitwerts der Lösung mit der Temperatur zu kompensieren, gibt es zwei Lösungen. Man schließt die Sonde an einen genauen und eigenen Verarbeitungskreis an, der die Werte der Leitfähigkeit und der Temperatur der Lösung aufnimmt und den richtigen Wert liefert, oder man ordnet die Sonde einem direkt in die Lösung eingetauchten Thermistor

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zu. Diese zuvor genannten verschiedenen Lösungen, die eine genaue Anzeige der Leitfähigkeit der Lösung liefern können, sind jedoch nicht zufriedenstellend, da sie entweder ziemlich kostspielig, oder, wenn sie wirtschaft~ lich sind, nicht ausreichend zuverlässig und richtig oder auch nicht einfach und praktisch in der Anwendung sind.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Fonde für die Messung der Leitfähigkeit und damit der Konzentration von Lösungen zu schaffen, deren gelieferte Information von den verschiedenen, zuvor erwähnten Fehlerarten praktisch frei ist und deren Herstellung darüber hinaus relativ wirtschaftlich ist und deren Kosten relativ gering sind und die eine beträchtliche Einfachheit und Zuverlässigkeit in Gebrauch und in der Arbeitsweise hat, um die erwähnten Nachteile der bekannten Sonden zu vermeiden.

Insbesondere soll eine Sonde der zuvor erwähnten Art geschaffen werden, die vor allem für die Messung der äquivalenten Leitfähigkeit bei 25°C von Dialysebädern geeignet ist.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einer Sonde zur Messung der Leitfähigkeit einer Lösung, bestehend aus wenigstens zwei Elektroden, die in die Lösung eintauchbar sind, gemäß der Erfindung durch einen Wandler zur Umwandlung des Signals der Elektroden, das der Leitfähigkeit der Lösung proportional ist, in ein Ausgangssignal mit einer dem Leitwert proportionalen Frequenz.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 und beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Fiaur "1 ein Schaltbild der Sonde aemäß der Erfindung,

_und 709816/0878

Figur 2 teilweise im Schnitt eine perspektivische Darstellung der Sonde gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 bezeichnet 10 die Elektrodenanordnung, die in die Lösung eingetaucht wird, deren Leitfähigkeit und/oder Konzentration gemessen werden soll.

Die Elektrodenanordnung 10 bildet einen Bipol, der zwei Anschlüsse 11 und 12 hat, von denen der erste an Masse liegt, während der zweite mit dem nicht invertierenden Eingang 2 eines Differentialverstärkers 13 verbunden ist. Dieser Differentialverstärker 13 hat außerdem zwei Versorgungseingänge 3 und 4, einen invertierenden Eingang 5 und einen Ausgang 6.

Die Versorgungseingänge 3 und 4 sind jeweils mit Anschlüssen 14 und 15 verbunden, an die eine Versorgungsspannung +V bzw. -V angelegt wird. Zwischen den invertierenden Eingang 5 und Masse ist ein Kondensator 16 geschaltet, während zwischen dem Eingang 5 und dem Ausgang 6 die Reihenschaltung eines Festwiderstandes 17 und eines Einstellwiderstandes 16 angeordnet ist.

Zwischen den nicht invertierenden Eingang und Masse, d.h. parallel zu der Elektrodenanordnung 10, ist ein Widerstand 21 geschaltet. Zwei Widerstände 22 und 23 sind in Reihe zwischen den Eingang 2 und den Ausgang geschaltet. Parallel zu dem Widerstand 22 ist mittels Leitungen 24 ein Thermistor 25 engeordnet. Pie Elektrodenanordnung 10 und der Thermistor 25 mit der Leitungen 11, 12 und 24 sind in einem Abschnitt 26 der Sonde angeordnet, der zum Eintauchen in die Lösung bestimmt ist, während die anderen beschriebenen Bauelemente zu einem Abschnitt 2 7 gehören.

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Von dem Ausgang 6 geht daher nach außen ein koaxiales Anschlußkabel 28 aus.

' In Fig. 2 bezeichnet 30 die Sonde insgesamt, die die Abschnitte 26 und 27 umfaßt, die zylindrische Form haben. Der Abschnitt 26 hat eine axiale Bohrung 31 mit einer ringförmigen Wandung 32. In der Wandung 32 sind drei Graphitringe 33 im wesentlichen abstandsgleich aufgenommen, liegen an der inneren Oberfläche der Wandung 32 und bilden die Elektrodenanordnung 10. Die äußeren Ringe 33 sind untereinander und mit dem Abschnitt 27 mittels der Leitung 12 verbunden. Der mittlere Ring dagegen ist mit dem. Abschnitt 27 mittels der Leitung 11 verbunden.

Am Ende des Abschnittes 26 nahe dem Abschnitt 27 ist eine Durchgangsbohrung 35 ausgebildet, in der der Thermistor 25 angeordnet ist, der mit dem Abschnitt 27 mittels der Leitungen 24 verbunden ist. In dem Abschnitt 27 sind (nicht sichtbar) die anderen beschriebenen Bauteile der Fig. 1 aufgenommen, die, nachdem sie in diesen Abschnitt eingesetzt wurden, in bekannter Weise geeignet mit Harz versiegelt werden. Vom unteren Ende des Abschnittes 27 führt das Kabel nach außen, das vier Leitungen 36, 37, 38 und 39 jeweils zur Verbindung mit den Versorgungsanschlüssen 14 und 15, dem Ausgang 16 und Masse hat.

Bezugnehmend auf Fig. 1 werden nun die Daten der Bauteile einer Ausführungsform angegeben, deren Arbeitsweise sich in der Praxis als zufriedenstellend erwiesen hat:

Widerstand' Kondensator

17 56 kQ 16 0,015 uF

18 50 kQ

23 1250 kQ Thermistor

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22 9 kQ 21 10 kQ Differentialverstärker 13 uA 709

25 "Fenwall" Typ UUA 32J3 mit 2252Ω bei

Versorgungs spannung

+V=+ 15 Volt

25°C

Die Arbeitsweise der beschriebenen Meßsonde.ist folgende:

Der Differentialverstärker 13 der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung bildet in bekannter Weise einen Oszillator/ an dessen Ausgang 6 ein periodisches Pechtecksignal auftritt.

Bezeichnet man mit: R die Summe der Widerstandswerte

der Widerstände 17 und 18, C die Kapazität des Kondensators 16, R den Parallelwiderstandswert der Elektrodenanordnung 10 und des Widerstandes 21 (dieser Widerstandswert ist jedoch im wesentlichen gleich dem der Anordnung 10, da der Widerstand 21 mit wesentlich größerem Widerstandswert dazu dient,die Polarisation der Anordnung 10 auf vernachlässigbare Werte zu verringern),
R die Summe des Widerstandswertes

des Widerstandes 23 und des Parallelwiderstandswertes des Widerstandes 22 und des Thermistors 25,

erhält man in bekannter Weise die Frequenz des periodischen Rechtecksignals am Ausgang 6 zu:

2 R_FC

In ( 2 — + 1 )

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Daraus folgt, daß die Frequenz F -r—z, -=— außer nicht-

r C linearen Faktoren und R_ ebenfalls über nichtlineare Faktoren proportional ist. Ordnet man daher die Sonde mit ihrem Abschnitt 26 in der Lösung an, deren Konzentration gemessen werden soll, und führt man mittels des Kabels 28 den Anschlüssen 14 und 15 die Versorgunasspannung +V zu, erhält man am Ausgang 6 ein periodisches Signal, dessen Frequenz -=— (die nichtlinearen Faktoren

sind in einem relativ begrenzten Meßbereich, der derjenige ist, der für Dialysebäder interessiert, im wesentlichen vernachlässigbar) und damit dem Leitwert der Lösung proportional. Dieses Ausgangssignal kann mit der Leitung 38 des Kabels 28 zu irgendeinem Frequenzmeßgerät geleitet werden, um bei geeigneter Skaleneichung die Anzeige der Leitfähigkeit ; und/oder der Konzentration der Lösung zu erhalten. Der Wert der Frequenz ( die ^-^ proportional ist), kann durch Einstellung des Einstellwiderstandes 18 reguliert werden, was zweckmäßig sein kann, um den Wert der Frequenz mit dem der Leitfähigkeit in einer geeigneten Skala in Übereinstimmung zu bringen. Dieser Frequenzwert muß jedoch' ausreichend niedrig sein, um die Umwandlungszeiten des DifferentialVerstärkers 13 vernachlässigen zu können. Mit der beschriebenen Sonde der Erfindung bewirkt man daher eine Umwandlung des Ausgangssignals der Elektrodenanordnung.10 mit einem der Leitfähigkeit der Lösung proportionalem Wert in ein Signal am Ausgang 6, dessen Frequenz dieser Leitfähigkeit proportional ist. Da die Frequenz ein Parameter ist, der bei der übertragung des Signals im wesentlichen konstant ist, kann das Signal zu Empfangs- und Nutzkreisen auch in beträchtlichen Entfernungen ohne Einfluß störender Parameter und daher ehre Erzeugung von Fehler-, Stör-Oder Nichtlinearitätsproblemen übertragen werden. Diese Empfangs- und Nutzkreise können z.B. digitale Frequenz-

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messer üblicher Art sein, die auf diese Weise direkt eine sichtbare Anzeige der Leitfähigkeit oder der Konzentration der Lösung liefern können. Diese Kreise kennen auch das Signal in der Frequenz in ein analoges Signal mit einer der Frequenz proportionalen Spannung umwandeln, das z.B. zu einem Steuer- und Kontrollgerät der Konzentration der Lösung geleitet wird.

Die verschiedenen Signale, die von verschiedenen Elektrodenancrdnungen 10 aufgrund ihrer verschiedenen geometrischen Abmessungen erhalten werden, können auf einen einzigen gemeinsamen Wert der Frequenz des Signals am Ausgang 6 durch die Einstellung des Einstellwiderstandes 18 gebracht werden, der vom Boden des Abschnittes 27 der Sonde 30 aus einstellbar ist, so daß es nicht mehr notwendig ist, jeder Sonde ein eigenes Meßgerät zuzuordnen, sondern man erhält eine praktische Austauschbarkeit zwischen den verschiederen Sonden.

Um schließlich den Nachteil zu beseitigen, eine fehlerhafte Anzeige der Konzentration mittels derjenigen der Leitfähigkeit bei Änderung der Temperatur der Lösung zu erhalten, wird diese Änderung der Leitfähigkeit durch den Thermistor 25 (der R,^ ändert) entsprechend der folgenden Gesetzmäßigkeit geändert:

R_T χ Leitfähigkeit = \_οη5ΐ. ac Leitfähigkeit bei 25°C mit einem maximal zulässigen Fehler von 1 %.

Die beschriebene Schaltungsanordnung der Fig. 1 mit den. zuvor angegebenen Werten, kann daher den Wert der äquivalenten Leitfähigkeit bei 25°C (14,1 mS/cm) und daher der Konzentration eines Dialysebades in einem Temperaturbereich des Bades von 5°C bis 45 C mit einem maximalen Fehler kleiner als + 1 % liefern.

Die Frequenz des Signals am Ausgang 6 ist daher bei Änderung der Temperatur der Lösung im wesentlichen konstant

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und es wird durch die Konzentration eine von der Temperatur unabhängige Anzeige geliefert.

Die beschriebene Sonde der Erfindung hat daher zahlreiche Vorteile, vor allem hat man die Möglichkeit, das Informationssignal der Leitfähigkeit und/oder der Konzentration auch sehr weit von der Meßstelle ohne das Entstehen von Fehlern zu übertragen, weiterhin ergibt sich eine absolute Genauigkeit und Wiederholbarkeit zwischen verschiedenen Sonden, und schließlich erhält man eine Anzeige, die durch Änderungen der Temperatur der Lösung nicht beeinflußbar ist.

Die so ausgebildete Sonde ist relativ einfach und billig bei beträchtlicher Genauigkeit und Zuverlässigkeit des gelieferten Meßsignals. Außerdem kann dieses Signal mit handelsüblichen Meßgeräten (Frequenzmessern) interpretiert und gemessen werden. Die beschriebene Schaltungsanordnung garantiert außerdem einen geringen Verbrauch und eine beträchtliche ünempfindlichkeit gegenüber Änderungen der Temperatur und der Versorgungsspannung, weshalb sie zur Zusammenarbeit mit tragbaren, batteriegespeisten Kreisen geeignet ist.

In Abwandlung von der beschriebenen Ausführungsform kann z.B. der Thermistor 25 durch einen Festwiderstand ersetzt werden, wenn man air Juisgang 6 bei jedem Wert der Temperatur ein der Leitfähigkeit der Lösung proportionales Signal erhalten will.

Auch können zur Bestimmung der Konzentration einer anderen Art von Lösung in einem Bereich von Werten, der von dem für Dialysebäder verschieden ist, die angegebenen Werte der Bauteile, insbesondere der Widerstände 22 und 23, die dem Thermistor.25 zugeordnet sind, geändert werden.

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Claims

Ansprüche

1.) Sonde zur Messung der Leitfähigkeit einer Lösung, bestehend aus wenigstens zwei Elektroden, die in die Lösung eintauchbar sind, gekennzeichnet durch einen Wandler zur Umwandlung des Signals der Elektroden (10) , das der Leitfähigkeitder Lösung proportional ist, in ein Ausgangssignal mit einer der Leitfähigkeit proportionalen Frequenz.

2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler einen Differentialverstärker (13) umfaßt, der als Oszillator arbeitet, daß das Signal der Elektroden (10) auf einen Eingang (2) des Verstärkers (13) gegeben wird, und daß das Ausgangssignal von dem Ausgang (6) des Verstärkers (13)· abgenommen wird.

3. Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialverstärker (13) zwei Rückkopplungskreise zwischen dem Ausgang (6) und den beiden Eingängen (2, 5) aufweist, wobei in einem der Rückkopplungskreise ein Einstellwiderstand (18) zur Einstellung des Wertes der Frequenz des Ausgangssignals angeordnet ist.

4. Sonde nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialverstärker .zwei Rückkopplungskreise zwischen dem Ausgang (6) und den beiden Eingängen (2, 5) aufweist, wobei in einem der Rückkopplungskreise ein Thermistor (25) zur Kompensation der Änderung der Leitfähigkeit der Lösung bei Änderung der Temperatur angeordnet ist, so daß der Wert der Frequenz des Ausgangssignals bei Änderung der Temperatur konstant und gleich eineit·. eingestellten Wert bleibt.

5.· Sonde nach Anspruch 4, wobei die Lösung ein Diaiysebad ist, dadurch gekennzeichnet, daß der voreinge-

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stellte Wert derjenige ist, der der Temperatur von 25°C entspricht.

6. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Elektroden (10) ein Widerstand (21) mit wesentlich höherem Wert parallelgeschaltet ist.

7. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler in einem Behälter (27) mit relativ geringen Abmessungen angeordnet ist, der mit einem die Elektroden (10) enthaltenden Abschnitt (26) verbunden ist.

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