DE3752029T2

DE3752029T2 - Technik zur messung von hochreinem wasser

Info

Publication number: DE3752029T2
Application number: DE3752029T
Authority: DE
Inventors: Donald Kaiser
Original assignee: Rosemount Analytical Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1986-09-03
Filing date: 1987-08-28
Publication date: 1997-09-11
Anticipated expiration: 2007-08-29
Also published as: WO1988001740A1; US4808930A; ATE150173T1; EP0429439A4; EP0429439A1; EP0429439B1; CA1266299A; DE3752029D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Messung der Leitfähigkeit oder (des Leitungswiderstands) einer Lösung unter Verwendung einer Leitfähigkeitszelle mit leitfähigen Elektroden.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Die Messung der Leitfähigkeit oder des Leitungswiderstands einer Läsung wird durch die Prozeßsteuerungsindustrie hindurch in vielen verschiedenen Anwendungsgebieten verwendet. Insbesondere kann die Leitfähigkeit oder der Leitungswiderstand von Wasser als ein Indikator für die Reinheit überwacht werden. Absolut reines Wasser mißt bei 25,0ºC etwa 18,25 Megaohm- Zentimeter (Meg-cm) Leitungswiderstand. Ionen-Verunreinigungen, am häufigsten Salze, verringern den Leitungswiderstand einer Wasserprobe unter dieses theoretische Maximum. Eine Wasserprobe, die ausreichend frei ist von Ionen-Verunreinigungen, so daß ihr Leitungswiderstand 5 Megaohm-Zentimeter oder mehr beträgt, wird allgemein als "hochreines" oder "ultrareines" Wasser bezeichnet.
Gewisse Industrien bevorzugen die Messung von Wasserreinheit in Form von Leitfähigkeit, der mathematischen Inversion des Leitungswiderstands. Leitfähigkeit wird im allgemeinen mit Mikro-mhos/Zentimeter (µmho/cm) oder Mikro-siemens/Zentimeter (µS/cm) gemessen, wobei die Einheiten gleichbedeutend sind, hochreines Wasser kann so beschrieben werden, daß es eine Leitfähigkeit von 0,2 Mikro-siemens/Zentimeter oder weniger aufweist.
Leitfähigkeit oder Leitungswiderstand von wässrigen Lösungen wird typischerweise durch Eintauchen von zwei leitfähigen Oberflächen, die in festem Verhältnis zu einander gehalten werden, in die betreffende Lösung gemessen. Man läßt einen elektrischen Strom zwischen den Oberflächen durch die Lösung fließen. Wenn man unterstellt, daß die Oberflächen selbst perfekte Leiter sind, in perfektem elektrischen Kontakt mit der Lösung sind und daß der elektrische Strom nicht die Beschaffenheit der Lösung beeinträchtigt, kann die Leitfähigkeit der Lösung so berechnet werden:
Leitungswiderstand = Vc / Ic K Gleichung 1
Leitfähigkeit = 1 / = K Ic / Vc Gleichung 2
Wobei:
Ic = Elektrischer Strom, der zwischen den leitfähigen Oberflächen fließt.
Vc = Spannung über die Oberflächen.
K = "Zellen"-Konstante, die die Größe und den Abstand der leitfähigen Oberflächen beschreibt.
Bei flachen parallelen Oberflächen mit der Fläche A und dem Abstand L mit leifähiger Lösung nur zwischen den Platten ist K = L/A. Daher die Einheiten Megaohm-Zentimeter für Leitungswiderstand, Mikro-mhos/Zentimeter für Leitfähigkeit. Die geometrisch festen leitfähigen Oberflächen oder Elektroden werden gemeinsam als eine Leitfähigkeitszelle bezeichnet.
Diese Grundform einer Leitfähigkeitszelle, die in eine Flüssigkeit eingetaucht wird, kann als elektrisches Modell durch einen einfachen Widerstand RC mit einem Wert wiedergegeben sein, der gleich dem Produkt des Leitungswiderstands der Lösung und der Zellenkonstante K ist.
Aus Gründen der Bequemlichkeit bestehen moderne Leitfähigkeitszellen im allgemeinen aus zwei konzentrischen zylindrischen Elektroden. Ein Isoliermaterial stützt die Elektroden ab und hält deren feste Geometrie aufrecht. Oft wird zum Zwecke der Temperaturüberwachung der Lösung, in die die Zelle eingetaucht ist, eine Temperatur-Überwachungsvorrichtung (ein RTD oder Thermistor) mit einer der Elektroden in Kontakt gebracht.
Viele verschiedene leitfähige Materialien, die von Graphit bis zu verschiedenen Arten von korrosionsbeständigen Stählen reichen, werden zur Herstellung von Elektroden von Leitfähigkeitszellen verwendet. Ähnlich werden viele verschiedene Materialien, einschließlich Glas und Epoxidharz, zur Herstellung derjenigen isolierenden Teile der Zelle verwendet, die die Elektrodengeometrie fest halten. Verschiedene kleinere Veränderungen der konzentrischen Zylindergeometrie und selbst einige Elektrodenanordnungen mit parallelen Platten werden zur Gewährleistung einer zuverlässigen Zirkulation der Probelösung in der Zelle verwendet.
Alle Leitfähigkeitszellen, die mit der Probelösung in Kontakt stehende Elektroden aufweisen, weisen ungeachtet der Form oder des Materials dasselbe Grundmodell und dieselben Nachteile und Einschränkungen auf.
Das oben beschriebene einfache Modell der Leitfähigkeitszelle ist für den Großteil der in der Praxis vorkommenden Anwendungsgebiete der Leitfähigkeitsmessung, insbesondere, wenn es eine Messung von hochreinem Wasser betrifft, ungenügend.
Verschiedene Probleme, von denen das bedeutendste die Polarisierung ist, schränken die Genauigkeit des einfachen Modells ein. Die Polarisierung ist die Folge einer chemischen Aktivität zwischen der Elektrode und der Lösung bei Vorhandensein des elektrischen Stroms, der zur Durchführung der Leitfähigkeitsmessung verwendet wird. Ein Spannungspotential, VZelle, muß zum einfachen Modell der Zelle (in Reihe mit dem Widerstand) hinzugefügt werden, um den Polarisierungsauswirkungen Rechnung zu tragen.
Die Schwierigkeit des Polarisierungsproblems ist, daß es fast unmöglich ist, es für irgendein in der Praxis vorkommendes Anwendungsgebiet zu beschreiben. Die Größe von VZelle ist eine Funktion einer Anzahl von Variablen, die folgende einschließen: den elektrischen Strom, der durch die Zelle fließt, Temperatur, Zeit, Elektrodenmaterial und chemische Zusammensetzung der Lösung. Die letzte dieser Variablen ist in der Praxis immer eine Unbekannte, ansonsten wäre es von vornherein unnötig, die Leitfähigkeitsmessung durchzuführen.
Kurz gesagt, es ist auch praktisch nicht möglich, den durch die Polarisierung in solche einfache Schemen der Leitfähigkeitsmessung eingebrachte Fehler, zu beschreiben. Aus diesem Grund wird bei allen außer den gröbsten Leitfähigkeitsmessungen ein etwas anspruchsvolleres Meßverfahren eingesetzt.
Praktisch alle modernen Systeme der Leitfähigkeitsmessung betreiben gegenwartig ihre Leitfähigkeitszellen mit einem Wechselstrom-Antriebssignal anstatt mit einem einfachen Gleichstromantrieb. Leitfähigkeitszellen werden bei Frequenzen im Bereich von 50 bis 60 Hz bis zu mehreren kHz und bei niedrigen Strompegeln, typischerweise unter 100 Mikroampere, betrieben. Da die Fehlerspannung aufgrund der Polarisierung eine direkte Funktion sowohl der Größe des elektrischen Stroms als auch der Zeitdauer ist, während der Strom an die Leitfähigkeitszelle angelegt wird, dient ein Meßverfahren, bei dem elektrischer Wechselstromantrieb mit eingeschränkter Größe verwendet wird, tatsächlich dazu, den Fehler aufgrund der Polarisierung zu verringern.
Die US-A-4,132,944 (Bentz) beschreibt eine Vorrichtung zur Überwachung der Temperatur und der elektrischen Konduktanz und Kapazität eines flüssigen Produkts während der Verarbeitung des flüssigen Produkts, insbesondere, um die Steuerung des Verfahrens zu sichern und seinen Endpunkt zu bestimmen. Die Vorrichtung weist eine Leitfähigkeitszelle mit einem einstükkig angebrachten Thermoelement auf. Wenn die Leitfähigkeitszelle über eine Wechselstrom-Sinuswellen-Erregungsquelle angeschlossen wird, wird der sich ergebende Strom in zwei orthogonale Bestandteile zerlegt, einen Ladestrom, der zur Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit zwischen den Elektroden der Leitfähigkeitszelle proportional ist, und einen ohmschen Strom, der zur Konduktanz der Flüssigkeit proportional ist.
Obgleich eine Leitfähigkeitsmessung mit Wechselstrom den Fehler aufgrund der Polarisierung begrenzt, bringt sie neue Fehlerquellen mit sich. Besonders müssen nun die Kapazitätsbestandteile der Leitfähigkeitszelle bedacht werden. Insbesondere die Kapazität CW zwischen den Leitungen zur Verbindung der Zelle mit der Antriebselektronik, die Elektroden-Lösungs- Schnittstellenkapazität CE, die Zellenkapazität zwischen den Elektroden CC und der Elektroden-Lösungs-Schnittstellenwiderstand RE haben alle eine Auswirkung auf die Spannung der Zelle.
Typische Werte für eine übliche Leitfähigkeitszelle mit einer Zellenkonstante von 0,01 gemäß dem Schaltkreis in Fig. 1 bei Anwendung in hochreinem Wasser sind wie folgt:
CW = 30 Picofarad/ft (etwa 0,3 m) x Kabellänge ≤ 0,002 Mikrofarad (Kabellänge ≤ 50 ft (etwa 15 m)
RE≈200.000 Ohm
CC = 80 &epsi;o/K für wässrige Lösungen
≈ 600 Picofarad
50.000 Ohm ≤ RC ≤ 183.000 Ohm für hochreines Wasser bei 25 ºC
Empirische Studien zeigen, daß für hochreines Wasser CE nicht konstant ist, sondern mit dem Leitungswiderstand der gemessenen Lösung und der verfügbaren Oberfläche der Zellenelektroden zusammenhängt.
Zum Beispiel liefert eine gegenwärtig verfügbare "Glas"-Leitfähigkeitszelle mit einer Konstante K = 0,01 und Platinelektroden, die mit einem hochporösem Platinschwarz plattiert sind, CE > 1 Mikrofarad in einer Lösung mit = 18,3 Megaohm- cm. Eine andere Elektrode mit Titan-Palladium-Elektroden, die aufgrund ihrer Haltbarkeit gerne in der Industrie verwendet wird, liefert in derselben Lösung ein CE≈0,1 Mikrofarad.
Die Auswirkungen aller Widerstands- und Kapazitäts-Bestandteile des Modells der Leitfähigkeitszelle müssen bedacht werden, um die maximale Genauigkeit bei der Messung der Leitfähigkeit oder des Leitungswiderstands der Lösung zu erhalten.
Der Großteil der gegenwärtig auf dem Markt befindlichen Leitfähigkeitsmeßsysteme geht nicht die Fehlertermini CW, CC, CE und RE der Leitfähigkeitszelle an. Vielmehr wird die Leitfähigkeitszelle wie das einfache Modell behandelt (d.h., nur Widerstand RC) und die vernachlässigten Fehlertermini können in der Leitfähigkeits oder Leitungswiderstands-Ausgangssignalanzeige des Systems vorhanden bleiben.
Im allgemeinen wird der durch CW, die Kabelkapazität zwischen den Leitungen, induzierte Fehler durch Beschränkung der Länge des Kabels, die zur Verwendung bei der Verbindung der Leitfähigkeitszelle mit dem Systemantrieb und der Meßelektronik empfohlen wird, begrenzt werden. Zusätzlich liefern einige Systeme als Teil der Meßelektronik eine Verstärkungseinstellung. Eine solche Einstellung kann einerseits zur Eichung des Leitfähigkeitsmeßsystems verwendet werden, aber sie trägt wenig dazu bei, die Systemgenauigkeit über einen großen Bereich von Leitfähigkeits oder Leitungswiderstandswerten zu verbessern.
Die US-A-3,919,627 (Allen) offenbart eine koaxiale Anordnung von Elektrodenzellen zur Verwendung bei der Leitfähigkeitsmessung. Allen versucht, Nicht-Linearitäten, die durch eine Kapazitätsreaktanz einer Probeflüssigkeit in Kontakt mit nichtplatinschwarzen Elektrodenoberflächen eingebracht werden, durch die Verwendung einer Rechteckwellen-Erregung zu minimieren. Darüberhinaus versucht Allen, eine unerwünschte Kapazitätsreaktanz durch einen mittelnden Schaltkreis und einen Phasendetektor zu kompensieren. Eine hohe Rechteckwellen-Erregungsfrequenz wird an eine Vergleichsbrücke, die Zellen aufweist, angelegt. Nachdem das Signal aus der Zelle durch einen Nullanzeiger geströmt ist, wird es in ein Phasendetektorsystem, ein mittelndes Differentialfilter und Phasenschwellen- Vorspannungsnetzwerk geleitet. Allen beschreibt dann entweder die Betatigung einer Hoch- und Tief-Anzeigevorrichtung oder einen Auslesewert, den man von einer Erfassungsvorrichtung, die nur eine Amplitude aufweist, erhält.
Bei den anspruchsvollsten der gegenwärtig zur Verfügung stehenden Systeme zur Leitfähigkeitsmessung wird ein "Mittenabtast"-Verfahren eingesetzt, um die Auswirkungen der oben beschriebenen Fehlertermini zu vermindern. Zur Verwendung dieses Verfahrens wird die Leitfähigkeitszelle mit einem Rechteckwellen-Signal im Bereich von 50 bis 1.000 Hz angetrieben. Alternativ kann eine trapezförmige Antriebs-Wellenform mit ähnlichen Ergebnissen verwendet werden.
Die Spannungs-Wellenform der Zelle ist die sich ergebende Spannung über die Leitfähigkeitszelle, wenn das Rechteckwellen-Antriebssignal durch einen Bezugs-Widerstand RREF über die Zelle angelegt wird. Wenn die Leitfähigkeitszelle eine reine Widerstandsvorrichtung wäre, wäre die Spannung der Leitfähigkeitszelle eine einfache Rechteckwelle mit der Stärke VO:
/ VO = VANTRIEB K / RREF + K Gleichung 3
Aufgrund der Auswirkungen der Termini der Zellenkapazität, am bedeutendsten CW und CE, wird die Spannungs-Wellenform des Zellen-Ausgangssignal verzerrt. Die Auswirkungen von CW sind während des frühen Teils der Wellenform, in dem es eine Nicht- Null-Anstiegszeit in der Spannungs-Wellenform des Ausgangssignals der Leitfähgkeitszelle verursacht, signifikant.
Die Auswirkungen von CW können im wesentlichen ausgeschaltet werden durch: (a) eine begrenzte Kabellänge, so daß die Zeitkonstante von CW viel weniger als τ/8 beträgt (wobei T die Periode eines Zyklus' der Antriebs-Wellenform ist), und (b) eine "Mittenabtastung" der Spannungs-Wellenform des Zellen- Ausgangssignals. Eine Mittenabtastung wird durch Erzeugung eines logischen Signals erreicht, das nur zwischen den Zeiten τ/8 und 3τ/8, der Mitte der positiven Halbwellenform, aktiv ist. Die abgetastete Spannung wird nur während des Abtast- Zeitintervalls, τ/8 ≤ Zeit ≤ 3τ/8, bestimmt.
Da die Zeitkonstante von CW kurz gehalten wird, sind ihre Auswirkungen zur Zeit τ/8, wenn das Abtast-Zeitintervall beginnt, vernachlässigbar. Durch eine Durchschnittsbildung des Ausgangssignals der Zellenspannung nur zwischen den Zeiten τ/8 und 3τ/8 werden die Auswirkungen von CW auf vernachlässigbaren Niveaus gehalten.
Eine Mittenabtastung verringert auch die Auswirkungen von CE auf das gemessene Zellen-Ausgangssignal, aber schaltet diese nicht aus. Für die meisten Anwendungsgebiete wird die Antriebsfrequenz so ausgewählt, daß:
Zc = 1 / 2πfCE < < RE Gleichung 4
und die Auswirkungen von RE können unberücksichtigt bleiben.
Von dem Modell wird abgeleitet, daß: Gleichung 5 Idealterminus Fehlerterminus
Wobei:
= Durchschnittliche Zellen-Ausgangsspannung abgetastet zwischen τ/8 und 3τ/8.
RREF = Bezugs-Widerstand
RC = K x
VIM = Größe des Rechteckwellen-Antriebssignals
Wenn die Auswirkungen von CE vernachlässigt werden (CE wird als unendlich groß angenommen), verschwindet der Fehlerterminus, das Modell reduziert sich auf dasjenige der einfachen Zelle, und der Leitungswiderstand der Lösung kann aus der gemessenen Größe, V&sub0;, und den bekannten Werten für K, RR und VIM berechnet werden.
Dieses Vorgehen funktioniert ganz gut, wenn man davon ausgeht, daß die Auswirkung von CE, wie sie durch das Mittenabtastverfahren verringert wird, tatsächlich vernachlässigbar ist.
Dies ist im allgemeinen bei Zellen der Fall, bei denen mit Platinschwarz plattierte Platinelektroden verwendet werden. Derartige Zellen weisen aufgrund ihrer hohen Porosität der Elektrodenoberfläche hohe CE-Werte auf. Dies vermindert den Fehlerterminus auf ein Niveau, das für die meisten Fällen unbedeutend ist.
Platin-/platinschwarze Elektroden sind jedoch zu zerbrechlich, um für die meisten Anwendungsgebiete in der Industrie geeignet zu sein. Zellen, bei denen Elektroden verwendet werden, die aus festen Legierungen, wie z.B. Titan-Palladium, hergestellt sind, werden aufgrund ihrer Widerstandsfähigkeit sowohl gegenüber physikalischen als auch chemischen Einflüssen in der Industrie bevorzugt.
Diese Elektrodenart ist viel weniger porös und weist einen viel niedrigeren CE-Wert als eine vergleichbare Platin-/platinschwarze Elektrode auf. Zusätzlich werden bei Verwendung der Zelle die Elektroden oft mit einem Niederschlag aus der gemessenen Lösung bedeckt. Dies trägt dazu bei, den Wert von CE zu vermindern und vergrößert daher den Fehlerterminus aus Gleichung 5 noch weiter.
Bei der tatsächlichen Verwendung können Leitfähigkeitszellen, bei denen Titan-Palladium-Elektroden verwendet werden, Fehler von bis zu einem Prozent in das Leitungswiderstands- oder Leitfähigkeits-Meßsystemeinbringen, wenn es neu ist. Dieser Fehlerwert kann über die Lebensdauer der Leitfähigkeitszelle hinweg unentdeckt auf fünf Prozent oder mehr ansteigen, da sich nach und nach ein Niederschlag auf den Zellen-Elektroden bildet. Ein Fehler von fünf Prozent ist in den meisten Anwendungsgebieten unerwünscht und in vielen inakzeptabel.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren und einen verbesserten Schaltkreis zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das eine durch eine Zelle erfaßte Leitfähigkeit (oder einen Leitungswiderstand) wiedergibt. Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß Auswirkungen der Kapazität berichtigt werden müssen, um bei Messungen, die durch eine Leitfähigkeitszelle ausgeführt werden, eine höhere Genauigkeit zu erreichen.
Mit der vorliegenden Erfindung erhält die Zelle eine abwechselnde Erregung, und das Zellen-Ausgangssignal wird während zweier separater Zeitintervalle abgestastet, während derer die zur Zelle gehörige Kapazität zwei unterschiedliche Auswirkungen aufweist. Basierend auf dem Unterschied der Ausgangssignale, die während des ersten und zweiten Zeitintervalls abgetastet werden, wird das Ausgangssignal, das auf dem Abtastwert während des ersten Zeitintervalls beruht, um die Auswirkungen der Kapazität berichtigt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist das erste Zeitintervall ein Zeitintervall mit Mittenabtastung, während das zweite Zeitintervall ein Zeitintervall mit Endabtastung ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigt:
Fig. 1 ein schematisches elektrisches Diagramm eines Modells für eine Leitfähigkeitszelle, die mit einem Wechselstrom-Antriebssignal angetrieben wird;
Fig. 2 ein Blockdiagramm eines Leitfähigkeits-Meßsystems mit Mittenabtastung gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 3 Wellenformen, die durch das Leitfähigkeits-Meßsystems mit Mittenabtastung gemäß dem Stand der Technik aus Fig. 2 erzeugt werden;
Fig. 4 ein vereinfachtes Modell einer Leitfähigkeitszelle für Messungen von hochreinem Wasser;
Fig. 5 ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform des verbesserten Leitfähigkeitsmeßsystems der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 6 Wellenformen, die durch das Meßsystem aus Fig. 5 erzeugt werden;
Fig. 7 eine graphische Darstellung, die den Leitungswiderstands-Fehler als eine Funktion der Spannungsdifferenz zwischen Signalen mit Mitten- und Endabtastung zeigt;
Fig. 8 ein elektrisches Blockdiagramm eines Leitfähigkeits- Erfassungssystems einer Lösung, bei der die vorliegende Erfindung verwendet wird;
Fig. 9 Wellenformen, die durch das System aus Fig. 8 erzeugt werden;
Fig. 10 ein Flußdiagramm des Mikrocomputers aus Fig. 8.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Wie es oben diskutiert und in Fig. 1 modellhaft dargestellt ist, kann eine Leitfähigkeitszelle der industriellen Art nicht genau dargestellt werden, wie ein einfacher von der Leitfähigkeit der Lösung abhängiger Widerstand. Den Auswirkungen der Kabelkapazität zwischen den Leitungen CW, des Elektroden- Lösungs-Widerstands und der Kapazität RE bzw. CE und der Kapazität der Zelle zwischen den Elektroden CC muß Rechnung getragen werden.
Wie es oben diskutiert ist, kann ein Mittenabtastverfahren die Auswirkungen der Kapazität zwischen den Leitungen vermindern. Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das ein typisches Leitfähigkeits-Meßsystem mit Mittenabtastung zeigt. In Fig. 2 empfängt eine Leitfähigkeitszelle 10 durch einen Bezugs-Widerstand RREF ein Rechteckwellen-Wechselstrom-Antriebssignal VI aus der Rechteckwellen-Erzeugungsvorrichtung 12. Die Spannung V&sub0; der Leitfähigkeitszelle wird der Abtast-Erfassungsvorrichtung 14 zugeführt. Die Rechteckwellen-Erzeugungsvorrichtung 12 erzeugt auch ein Mittenabtastsignal, die die Abtast-Erfassungsvorrichtung 14 dazu veranlaßt, die Spannung V&sub0; der Leitfähigkeitszelle während eines Zeitintervalls von der Zeit τ/8 bis 3τ/8 abzutasten. Das Ausgangssignal der Abtast-Erfassungsvorrichtung 14 wird durch ein Filter 16 gefiltert, um ein abgetastetes Ausgangssignal &sub0; zu erzeugen. Fig. 3 zeigt die Wellenformen, die durch das Leitfähigkeits-Meßsystem mit Mittenabtastung gemäß dem Stand der Technik aus Fig. 2 erzeugt werden.
Durch Verwendung eines Mittenabtastverfahrens und Begrenzung der Kabellänge der Zelle ist es möglich, den Wert der Kabelkapazität zwischen den Leitungen CW auf den Punkt zu verringern, an dem er als Fehlerquelle aus dem Modell ausgeschlossen werden kann. Die Zellenkapazität zwischen den Elektroden CC kann durch ähnliche Vorgehensweisen ausgeschaltet werden. Ihre Größe, typischerweise weniger als etwa 700 Picofarad für Zellenkonstanten K = 0,01 oder größer in wässrigen Lösungen, ist im Hinblick auf CW klein genug. Ihre Auswirkung auf einen Systemfehler wird durch die Verwendung eines Mittenabtastverfahrens auch vernachlässigbar gemacht. Wie es ebenfalls oben diskutiert ist, wird der Elektroden-Lösungs-Widerstand RE in den meisten Anwendungsgebieten durch die Elektroden-Lösungs-Kapazität CE wirksam kurzgeschlossen. Somit wird RE als Fehlerquelle ausgeschlossen.
Dies läßt das vereinfachte Modell der Leitfähigkeitszelle gemäß Fig. 4 übrig, das für Anwendungsgebiete mit hochreinem Wasser geeignet ist, bei denen das Mittenabtastverfahren sorgfältig angewendet wird. Dieses Model weist nur die Kapazität CE in Reihe mit RC zwischen den Zellenanschlüssen auf.
Bei einer typischen Leitfähigkeitsmessung für hochreines Wasser könnte eine Zelle mit der Konstante K = 0,01 verwendet werden, die mit 80 Hz angetrieben wird. Die Größe 80 Hz ist ein vernünftiger Kompromiß, der sowohl die bei niedrigen Frequenzen vorhandenen Polarisierungsfehler als auch bei höheren Frequenzen vorhandene starke Beschränkungen der Kabellänge minimiert.
Es wird nun auf Fig. 2 und 3 und Gleichung 5 zurückverwiesen. Die hier beschriebene Leitfähigkeitsmessung würde die einfache Gleichung:
V&sub0;RREF / K (VIM- ) Gleichung 6
anwenden, um die Leitfähigkeit der Lösung zu bestimmen. Dies ergibt das richtige Ergebnis, vorausgesetzt, CE ist kein signifikanter Faktor. In den Fällen, in denen CE signifikant ist, bewirkt der Fehlerterminus aus Gleichung 5, daß der gemessene -Wert des Systems zu hoch ist, und daher ist auch der berechnete Lösungs-Leitungswiderstand des Systems zu hoch.
Man nehme zum Beispiel das oben beschriebene System, das bei 80 Hz mit einer Zelle mit einer Konstanten K = 0,01 arbeitet, die die Lösung bei einem Leitungswiderstand = 10 Megaohm-cm mißt. Eine Titan-Palladium-Elektrode könnte in den frühen Stadien der Verschmutzung leicht einen CE-Wert von 0,1 Mikrofarad aufweisen. Das Anwenden dieser Zahlen auf die Gleichungen 5 und 6 zeigt aufgrund der Elektroden-Lösungs-Schnittstellenkapazität CE einen Fehler von ungefähr drei Prozent. Dieser kommt natürlich zu irgendwelchen grundlegenden Meßfehlern hinzu, die bereits im System vorhanden sind.
Man betrachte wiederum Gleichung 5, die die Spannung regelt, die das Meßsystem mit Mittenabtastung über die Leitfähigkeitszelle mißt. Obgleich Gleichung 5 komplex ist, ist sie eine Funktion von nur fünf Variablen, von denen alle, mit der Ausnahme von CE, durch das System gesteuert oder gemessen werden. Wenn der Wert von CE bestimmt werden könnte, könnte seine Auswirkung auf die Messung berechnet und ausgeschaltet werden.
Fig. 5 und 6 zeigen ein verbessertes System, das Signale erzeugt, aus denen eine Berichtigung der Auswirkungen von CE vorgenommen werden kann. Bei dem in Fig. 5 gezeigten Blockdiagramm empfängt eine Leitfähigkeitszelle 20 von einer Rechteckwellen-Erzeugungsvorrichtung 22 durch den Widerstand RREF ein Rechteckwellen-Antriebssignal VI. Die Spannung V&sub0; der Leitfähigkeitszelle wird zwei Abtast-Erfassungsvorrichtungen 24 und 26 zugeführt. Die Rechteckwellen-Erzeugungsvorrichtung 22 führt ein Abtastsignal S1 der Abtast-Erfassungsvorrichtung 24 und ein zweites Abtastsignal S2 der Abtast-Erfassungsvorrichtung 26 zu. Wie es in Fig. 6 gezeigt ist, ist das Abtastsignal S1 ein Mittenabtastsignal, das zwischen τ/8 und 3τ/8 auftritt, während das Abtastsignal S2 ein Endabtastsignal ist, das zwischen 3τ/8 und τ/2 auftritt.
Das Ausgangssignal der Abtast-Erfassungsvorrichtung 24 wird durch ein Filter 28 gefiltert, um ein mittenabgetastetes Signal V&sub0;&sub1; zu erzeugen. Ähnlich wird das Ausgangssignal der Abtast-Erfassungsvorrichtung 26 wird durch ein Filter 30 gefiltert, um ein endabgetastetes Signal V&sub0;&sub2; zu erzeugen.
Bei dem in Fig. 5 und 6 gezeigten System wird die Zellenspannung V&sub0; über zwei unabhängige Fenster während der positiven Halbperiode abgetastet. Die während der beiden Abtastintervalle V&sub0;&sub1; und V&sub0;&sub2; gemessene Zellen-Ausgangsspannung unterscheidet sich aufgrund von CE. Daher kann die Differenz zwischen den beiden gemessenen Spannungsproben ΔV abgeleitet werden als: Gleichung 7
Man beachte, daß alle Variablen in Gleichung 7 entweder bekannt sind oder gemessen werden, mit der Ausnahme von CE. Somit kann die Gleichung 7 zur Berechnung des Werts für CE verwendet werden, der dann verwendet werden kann, um den Fehlerterminus in Gleichung 5 auszuschalten, wodurch die Genauigkeit der Berechnung der Lösungsleitfähigkeit verbessert wird.
Zwei Probleme müssen jedoch noch diskutiert werden. Das erste ist, daß die Gleichung 7 die Zellenimpedanz RC = K x als Variable benötigt, so daß RC zuerst aus der Gleichung 6 berechnet werden muß und einen durch CE eingebrachten Fehlerbestandteil aufweist. Die Gleichung 7 wird jedoch nur durch kleine Fehler (≤ 5 %) in RC etwas gestört und anschließende Iterationen des Verfahrens verringern diesen Fehler sogar noch.
Das übrigbleibende größere Problem ist, daß die Gleichung 7 nicht leicht nach CE aufzulosen ist, und iterative Lösungsverfahren liegen jenseits der Geschwindigkeits- und Speichergrenzen eines kleinen Mikrocomputers der Art, die in einem Leitfähigkeits-Meßinstrument kosteneffektiv wäre.
Zur Vereinfachung des Berichtigungsverfahrens bis zu dem Punkt, an dem es durch ein kleines Instrument auf Mikrocomputerbasis wirkungsvoll in Echtzeit gehandhabt werden kann, werden die in den Gleichungen 7 und 5 enthaltenen Informationen in ein Polynom zweiter Ordnung eingesetzt. Handelsübliche Programme zur Kurvenermittlung dienen diesem Zweck in ausreichendem Maße.
Die Reihenfolge zur Ableitung des Fehler-Berichtigungspolynoms von CE ist wie folgt:
Als erstes ist zu beachten, daß die Gleichung 7 die abgetastete Spannungsdifferenz ΔV als eine Funktion von CE ergibt. Als nächstes ist zu beachten, daß der zweite Term der Gleichung 5 den berechneten Leitungswiderstandsfehler als eine Funktion von CE ergibt. Beide Gleichungen verwenden auch RC als Variable.
Durch Kombinieren des Fehlerterminus' aus Gleichung 5 mit Gleichung 7 wird eine Kurvenschar, Berechneter Leitungswiderstandsfehler über Abgetastete Spannungsdifferenz (ΔV) für verschiedene Werte von RC, erzeugt. Eine typische Kurvenmenge ist in Fig. 7 gezeigt.
Als abschließenden Schritt werden die in Fig. 7 graphisch dargestellten Daten auf ein Polynom reduziert, das den Ausgangssignalfehler des Leitfähigkeitsmeßsystems als eine Funktion von ΔV, der Differenz zwischen den Zellen-Ausgangsspannungen, ausdrückt, die über die beiden verschiedenen Abtastfenster in der Antriebs-Wellenform (S1 und S2 aus Fig. 6) gemessen werden. Es ist zu beachten, daß CE nicht direkt durch das Leitfähigkeitsmeßsystem berechnet werden muß. Vielmehr wird die durch CE verursachte Differenz der abgetasteten Spannungen ΔV gemessen und im Polynom der Berichtigungsgleichung verwendet.
Das folgende Beispiel ist für das in Fig. 5 dargestellte System mit der Elektrode, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, entwickelt. Es gelten die folgenden Werte der Bauteile:
RREF = 50.000 Ohm
K = 0,01
Die Kurvenermittlungs-Gleichungen 7 und 5 liefern den Berichtigungsterminus E, so daß:
E = 1 + (1,107 x 10&supmin;² + 3,85 x 10&supmin;&sup7; X RC) xΔV -(7,735 + 5,88 x 10&supmin;¹&sup0; x RC²) x (ΔV)² Gleichung 8
Nun kann der Leitungswiderstand der Lösung genauer berechnet werden als:
= V&sub0;&sub1;RREF / K(VI-V&sub0;&sub1;) x E Gleichung 9
Es ist wiederum zu beachten, daß dieses Kurvenermittlungsverfahren den Wert für CE nicht direkt berechnet, sondern vielmehr den durch CE eingebrachten Fehler-Berichtigungsfaktor E. Da die Gleichung 8 nur eine Gleichung mit einem Polynom zweiter Ordnung ist, gibt sie die Gleichungen 7 und 5 nicht perfekt wieder. Vielmehr wird sie berechnet, um eine "beste Annäherung" über den beabsichtigten Meßbereich für jedes gegebene Instrument zu liefern. Für das oben beschriebene Meßbeispiel vermindert die Anwendung der Gleichungen 8 und 9 durch CE eingebrachte Fehler des Leitungswiderstands der Lösung in der Größenordnung von fünf Prozent erfolgreich auf weniger als ein Prozent des Bereichs 5 Meg-cm ≤ ≤ 50 Meg-cm.
Fig. 8 zeigt ein Leitfähigkeitsmeßsystem 50, das die vorliegende Erfindung aufweist. Ein Paar Leitfähigkeitszellen 52 und 54 wird zur Messung der Leitfähigkeit der Lösung verwendet. Zur Zelle 52 gehört ein RTD-Temperatursensor 56. Ähnlich gehört ein RTD-Temperatursensor 58 zur Zelle 54. Signale aus den RTDs 56 und 58 liefern für die gemessene Leitfähigkeit, die durch die Leitfähigkeitszellen 52 bzw. 54 gemessen wird, eine Temperaturberichtigung.
Der Betrieb des Systems 50 wird durch einen Mikrocomputer 60 gesteuert und koordiniert, der in einer Ausführungsform ein Ein-Chip-Mikrocomputer, wie z.B. ein Intel 8051, ist. Der Mikrocomputer 60 weist ein Rechen- und Leitwerk (ALU) 621 einen Direktzugriffsspeicher (RAM) 64 und einen Nurlesespeicher (ROM) 66 zusammen mit einem zugehörigen Eingangs-/Ausgangs- und Steuerschaltkreis auf. Ein Quarz 68 und Kondensatoren 70 und 72 errichten die Taktreferenz für den Mikrocomputer 60.
Ein Überwachungs-Zeitgeber 74 ist mit dem Mikrocomputer 60 verbunden, um ein Rücksetzsignal zu erzeugen, wenn der Mikrocomputer 60 nicht normal arbeitet.
Schalter 76 für die Einstellung bei der Inbetriebnahme der Anlage führen dem Mikrocomputer 60 Eingangssignale zu, um verschiedene durch den Benutzer ausgewählte Konstanten und Parameter der Inbetriebnahme zu liefern. Zu diesen gehören zum Beispiel Baud-Geschwindigkeit für eine Übertragung zum und vom System 50, Anzeige entweder der Leitfähigkeit oder des Leitungswiderstands, Auswahl eines Stromabgabemodus' und Eichungskonstanten. Ebenfalls Eingangssignale führen Tastaturschalter 78 dem Mikrocomputer 60 zu, die es ermöglichen, Zahlenwerte in den Mikrocomputer einzugeben und für eine spätere Verwendung zu speichern.
Ein permanenter Speicher 80 ist ein permanenter Direktzugriffsspeicher, der Daten, wie z.B. Eichungskonstanten, Alarm- Einstellwerte und dgl., während Zeitabschnitten speichert, wenn das Leitfähigkeits-Meßsystem 50 abgeschaltet ist.
Das System 50 erzeugt Ausgangssignale in einer Reihe von unterschiedlichen Formen. Eine Anzeige 82 wird durch den Mikrocomputer 60 gesteuert und zeigt Daten an, die die durchgeführten Messungen (wie sie durch den Mikrocomputer 60 berichtigt sind) wiedergeben. Andere Ausgangssignale werden durch einen Alarm-Ausgangsschaltkreis 84, eine Empfangs-/Übertragungsvorrichtung 86, einen analogen Ausgangsschaltkreis 88 und einen Bereichs-Ausgangsschaltkreis 90 erzeugt.
Wenn bestimmte Grenzen des Leitungswiderstands oder der Leitfähigkeit überschritten worden sind, schaltet der Mikrocomputer 60 zur Erzeugung eines Alarmsignals den Alarm-Ausgangsschaltkreis 84 ein.
Die Empfangs-/Übertragungsvorrichtung 86 empfängt Daten und führt sie dem Mikrocomputer 60 zu und überträgt auch Daten, die ihr vom Mikrocomputer 60 zugeführt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform schafft die Empfangs-/Übertragungsvorrichtung 86 eine RS232-Schnittstelle zwischen dem System 50 und anderen digitalen Vorrichtungen und Systemen.
Der analoge Ausgangsschaltkreis 90 erzeugt ein analoges Signal, das die gemessene Leitfähigkeit oder den Leitungswiderstand (entweder als eine Analogspannung oder als einen Analogstrom) wiedergibt. Der Bereichs-Ausgangsschaltkreis 88 erzeugt eine Anzeige des Bereichs der Leitfähigkeit (oder des Leitungswiderstands), der durch das analoge Ausgangssignal wiedergeben wird.
Die übrige in Fig. 8 gezeigte Schaltkreistechnik erzeugt die gemessenen Signale, von denen der Mikrocomputer 60 den Leitfähigkeits- oder Leitungswiderstandswert ableitet. Die Leitfähigkeitszellen 52 und 54 und die RTDs 56 und 58 erzeugen analoge Signale, die in eine digitale Form umgewandelt werden müssen, so daß sie durch den Mikrocomputer 60 verarbeitet werden können. Die Umwandlung der analogen Signale in digitale Signale wird durch einen Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler) mit einer zweifach integrierenden Rampe erreicht, der durch eine Integrationsvorrichtung 92, eine Vergleichsvorrichtung 94 und den Mikrocomputer 60 ausgebildet ist. Die Integrationsvorrichtung 92 weist Operationsverstärker 96 und 98, einen Widerstand 100 und eine Kondensator 102 auf. Das Eingangssignal zur Integrationsvorrichtung 92 wird vom Multiplexer 104 empfangen, der basierend auf Steuersignalen vom Mikrocomputer 60 eines von acht analogen Eingangssignalen auswählt. Das Ausgangssignal der Integrationsvorrichtung 92 wird der Vergleichsvorrichtung 94 zugeführt, die einen Operationsverstärker 106, Widerstände 108 und 110 und einen Kondensator 112 aufweist.
Der Zweiflanken-A/D-Wandler tastet zuerst das analoge Signal ab, das für einen vorher festgelegten Zeitabschnitt umgewandelt werden soll, und die Integrationsvorrichtung 92 steigt während dieses ersten Zeitabschnitts in eine erste Richtung an. Am Ende des ersten Zeitabschnitts bewirkt der Mikrocomputer 60, daß der Multiplexer 104 ein Bezugspotential auswählt, und dieses Bezugspotential wird dem Eingang der Integrationsvorrichtung 92 zugeführt. Dies bewirkt, daß die Integrationsvorrichtung 92 in eine zweite, entgegengesetzte Richtung ansteigt. Während des ersten Zeitabschnitts, in dem das Ausgangssignal der Integrationsvorrichtung 92 in die erste Richtung ansteigt, zählt der Mikrocomputer 60 Taktimpulse. Wenn das Ausgangssignal der Integrationsvorrichtung 92 einen vorher festgelegten Schwellenwert erreicht, der durch die Vergleichsvorrichtung 94 festgelegt wird, ändert das Ausgangssignal der Vergleichsvorrichtung 94 seinen Zustand. Dies bewirkt, daß der Mikrocomputer 60 aufhört zu zählen. Die Digitalzahl, die man erhält, ist ein Maß für die Länge des ersten Zeitabschnitts. Da der zweite Zeitabschnitt eine feste Dauer aufweist und das Ausgangssignal der Integrationsvorrichtung am Ende dieses zweiten Zeitabschnitts ein bekannter Wert ist, gibt die Anzahl der Taktimpulse während des ersten Zeitabschnitts die Größe des analogen Signals wieder, das der Integrationsvorrichtung 92 während dieses ersten Zeitabschnitts durch den Multiplexer 104 angeboten wird. Der erste und zweite Zeitabschnitt werden zyklisch wiederholt.
Es gibt acht Eingänge (mit Y0-Y7 bezeichnet) zum Multiplexer 104. Das Signal am Eingang Y1 ist eine negative Bezugsspannung, die durch einen durch Widerstände 114, 116 und 118 und eine Zener-Diode 120 ausgebildeten Bezugs-Schaltkreis erzeugt wird. Der Bezugs-Schaltkreis führt auch dem nicht-invertierenden (+)-Eingang des Operationsverstärkers 98 der Integrationsvorrichtung 92 ein Bezugssignal zu.
Der Eingang Y0 ist mit Masse verbunden und erzeugt deshalb ein Masse-Bezugspotential.
Der RTD 56 und der RTD 58 sind im Erreger-Schaltkreis verbunden, der Widerstände 122, 124 und 126 und einen Kondensator 128 aufweist. Ein Signal aus der Verbindung des Widerstands 122 mit den Widerständen 124 und 126 ist ein Bezugssignal, das durch einen Widerstand 130 und einen Kondensator 132 gefiltert wird, um am Eingang Y4 des Multiplexers 104 ein Eingangs-Bezugssignal zu erzeugen.
Die Spannung über den RTD 56 wird einem durch einen Widerstand 134 und einen Kondensator 136 ausgebildeten Filter und dem Eingang Y5 des Multiplexers 104 zugeführt. Ähnlich wird die Spannung über den RTD 58 durch einen Widerstand 138 und einen Kondensator 140 gefiltert und dem Eingang 2 des Multiplexers 104 zugeführt.
Der Multiplexer 104 empfängt an seinem Eingang Y7 ein gefiltertes Bezugssignal, an seinem Eingang Y6 eine gefilterte Leitfähigkeitszellen-Spannung der Zelle 52 und an seinem Eingang Y3 eine gefilterte Leitfähigkeitszellen-Spannung der Zelle 54.
Der Antrieb der Zellen 52 und 54 wird mittels einer Rechteckwellen-Erzeugungsvorrichtung 142 durch einen Widerstand 144 der Zelle 52 und durch einen Widerstand 146 der Zelle 54 zugeführt. Die Rechteckwellen-Erzeugungsvorrichtung 142 wird durch einen Steuer-Schaltkreis 148 getriggert, der wiederum Taktsignale von einem Taktgeber 150 und ein Mitten/End-Steuersignal vom Mikrocomputer 60 empfängt.
Die Ausgangsspannung von der Zelle 52 wird durch einen Schalter 152 einem Filter zugeführt, das durch einen Widerstand 154 und einen Kondensator 156 gebildet ist. Das gefilterte Signal wird dem Eingang Y6 des Multiplexers 104 zugeführt.
Ähnlich wird die Ausgangsspannung der Zelle 54 einem Schalter 158 zugeführt. Das Ausgangssignal des Schalters 158 wird durch einen Widerstand 160 und einen Kondensator 162 gefiltert. Die gefilterte Ausgangsspannung der Zelle 54 wird dem Eingang Y3 des Multiplexers 104 zugeführt.
Das Bezugssignal von der Rechteckwellen-Erzeugungsvorrichtung 142 wird durch einen Widerstand 164 einem Schalter 166 zugeführt. Das Ausgangssignal des Schalters 166 wird durch einen Widerstand 168 und einen Kondensator 170 gefiltert und dem Eingang Y7 des Multiplexers 104 zugeführt.
Die Steueranschlüsse der Schalter 152, 158 und 166 werden durch den Steuer-Schaltkreis 148 gesteuert. Auf diese Weise wird das Abtasten der Augangsspannungen der Zellen 52 und 54 und das Abtasten des Bezugssignals durch den Steuer-Schaltkreis 148 gesteuert.
Zur Vereinfachung wird das Abtasten der Ausgangsspannung der Zelle 52 beschrieben. Der Betrieb des Systems 50 beim Abtasten von Signalen von der Zelle 54 ist ähnlich und wird nicht separat beschrieben.
Wie es in Fig. 9 gezeigt ist, ist das Ausgangssignal V1 der Rechteckwellen-Erzeugungsvorrichtung 142 ein Wechselstrom- Rechteckwellen-Signal. Die Ausgangsspannung V&sub0; von der Zelle 52 ist ebenfalls in Fig. 9 gezeigt. Der Steuer-Schaltkreis 148 führt das Abtastsignal V&sub3; den Steueranschlüssen der Schalter 152, 158 und 166 zu. Während eines ersten Mittenabtast-Zeitabschnitts des Betriebs wird das Abtastsignal in der Mitte der positiven Halbperiode des Antriebssignals zentriert, wie es in Fig. 9 gezeigt ist. Die sich ergebende Spannung V&sub0;&sub1;, die am Eingangsanschluß Y6 des Multiplexers 104 auftritt, gibt die gefilterte Spannung wieder, die durch Mittenabtastung der Zellen-Ausgangsspannung V&sub0; erzeugt wird.
Der Mikrocomputer 60 bewirkt periodisch, daß der Steuer- Schaltkreis 148 das Abtastsignal von einem Mittenabtastsignal in ein Endabtastsignal ändert. Wenn dies auftritt, wird das Abtastsignal bis zum letzteren Ende der positiven Halbperiode des Antriebssignals verzögert, wie es ebenfalls in Fig. 9 gezeigt ist. Die gefilterte Spannung V&sub0;&sub2;, die als ein Ergebnis der Endabtastung auftritt, wird dem Multiplexer 104 zugeführt.
Der Mikrocomputer 60 bewirkt periodisch, daß das durch Mittenabtastung erzeugte Signal V&sub0;&sub1; in einen digitalen Wert umgewandelt wird und bewirkt auf ähnliche Weise, daß die durch Endabtastung erzeugte Spannung V&sub0;&sub2; in einen digitalen Wert umgewandelt wird.
Darüber hinaus bewirkt der Mikrocomputer 60 periodisch, daß das vom Rechteckwellen-Antrieb abgeleitete Bezugssignal (das am Eingangsanschluß Y7 erscheint), zusammen mit dem Temperatursignal, das am Eingangsanschluß Y5 erscheint, dem Bezugssignal, das bei Y4 erscheint und dem Bezugssignal, das bei Y0 und Y1 erscheint, abgetastet wird. Die Bezugssignale liefern eine Eichung, die durch den Mikrocomputer 60 verwendet wird, um die Temperatur- und Zellen-Leitfähigkeitssignale zu skalieren.
Das Temperatursignal wird zur Temperaturkompensation der Zellen-Leitfähigkeits-Signale verwendet, da die Leitfähigkeit der Lösung eine Funktion der Temperatur ist.
Aus der mittenabgetasteten Spannung V&sub0;&sub1; und der endabgetasteten Spannung V&sub0;&sub2;, die durch den A/D-Wandler in digitale Werte umgewandelt werden, berechnet der Mikrocomputer 60 die geeignete Fehlerberichtigung, wie es in Gleichung 8 gezeigt ist, und berichtigt dann den Leitungswiderstand unter Verwendung der Fehlerberichtigung, wie es in Gleichung 9 gezeigt ist. Der sich ergebende berichtigte Leitfähigkeits oder Leitungswiderstandswert wird dann durch den Mikrocomputer 60 geeigneten Ausgabevorrichtungen, wie z.B. der Anzeigevorrichtung 82, dem analogen Ausgangs-Schaltkreis 88 und der Empfangs-/Übertragungsvorrichtung 86 zugeführt. Der Mikrocomputer 60 vergleicht auch den berichtigten Wert mit vorgegebenen Grenzen und betätigt ggf. den Alarm-Ausgangs-Schaltkreis 84.
Das verbesserte Leitfähigkeits-Meßsystem mit Mitten- und Endabtastung der vorliegenden Erfindung hat sich für industrielle Leitfähigkeitszellen in Anwendungsgebieten mit hochreinem Wasser als besonders vorteilhaft herausgestellt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht allein auf Anwendungsgebiete mit hochreinem Wasser beschränkt, sondern gilt vielmehr für Kontakt-Leitfähigkeitsmessungen aller Bereiche. Dies umfaßt Systeme, die die Leitfähigkeit zur Berechnung zweitrangiger Variable, wie z.B. Säure-, Base- oder Salzkonzentration messen, und Leitfähigkeitsmessungen in nicht-wässrigen Lösungen. In all diesen Fällen ändern sich die Bauteilwerte im Modell der Leitfähigkeitszelle, und die Form der Kurvenermittlungs-Gleichung (Gleichung 8) ändert sich, aber das grundlegende Verfahren zur Ausschaltung der Elektroden-Lösungs-Schnittstellenkapazität gilt noch immer.
In Fig. 10 zeigt ein Flußdiagramm den Arbeitsablauf eines Leitfähigkeits-Erfassungssystems, wie es z.B. in Fig. 8 gezeigt ist. Nach dem Start oder Einschalten 200 stellt das Mikrocomputersystem Eichungskonstanten aus dem permanenten Speicher wieder her, wie es bei 202 gezeigt ist, und stellt das Abtastsignal "V3" so ein, daß es eine Mittenabtastung durchführt, wie es bei 204 gezeigt ist. Eine Zählvorrichtung im Mikrocomputer wird auf eine Anfangseinstellung von 50 eingestellt, wie es bei 206 gezeigt ist, und dann steuert der Mikrocomputer den Multiplexer und den A/D-Wandler so, daß er 50 aufeinanderfolgende Messungen aller analogen Eingangssignale zum Multiplexer durchführt, wobei die Mittenabtastung bei allen Messungen von den Leitfähigkeitszellen durchgeführt wird, wie es in der Schleife 208 auf der linken Seite des Flußdiagramms in Fig. 10 gezeigt ist. Während jedem der fünfzig Durchläufe durch die Schleife 208 wird eine Temperaturberichtigung durchgeführt, wie es bei 210 gezeigt ist, das analoge Ausgangssignal wird aktualisiert, wie es bei 212 gezeigt ist, Alarm-Ausgangssignale werden aktualisiert, wie es bei 214 gezeigt ist, die Anzeigevorrichtung wird aktualisiert, wie es bei 216 gezeigt ist, die Empfangs-/Übertragungsvorrichtung wird nach Meldungen abgefragt, wie es bei 218 gezeigt ist, und die Tastatur wird nach Benutzerbefehlen abgefragt, wie es bei 220 gezeigt ist. Am Ende von fünfzig Durchläufen stellt das Mikrocomputersystem das Abtastsignal "V3" so ein, daß es eine Endabtastung durchführt, wie es bei 222 gezeigt ist. Nach einer Wartezeit, bis sich das endabgetastete Signal bei 224 stabilisiert hat, wird für beide Leitfähigkeitszellen eine Endabtastung durchgeführt, wie es bei 226 gezeigt ist. Das Abtastsignal wird dann zurückgesetzt, um eine Mittenabtastung zu liefern, wie es bei 228 gezeigt ist, und die Berichtigung für Kapazitätsauswirkungen wird berechnet, wie es bei 230 gezeigt ist. Dann gibt es eine Wartezeit, bis sich die Eingangssignale stabilisiert haben, wie es bei 240 gezeigt ist, und dann kehrt das System zur Haupt-Meßschleife 208 zurück. Der bei 230 berechnete Berichtigungsfaktor wird in der Haupt-Meßschleife 208 verwendet, um Anzeigen und Ausgangssignale der Leitfähigkeit oder des Leitungswiderstand um die Kapazitätsauswirkungen zu berichtigen.
Obgleich die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, erkennen Fachleute, daß Form und Details verändert werden können, ohne vom Umfang der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims

1. Ein Schaltkreis zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das eine Leitfähigkeit wiedergibt, die durch eine Zelle (20, 52, 54) erfaßt wird, die ein elektrisches Signal der Zelle erzeugt, das durch die Leitfähigkeit und durch eine Kapazität beeinflußt wird, der folgendes aufweist:

eine Erregungsvorrichtung (22, 142) für ein Leiten zur Zelle, um der Zelle eine periodische zeitvariable Erregung zu liefern; und

eine Abtastvorrichtung (24, 26, 104, 157, 158) für ein Leiten zur Zelle, um das elektrische Signal der Zelle während erster und zweiter unterschiedlicher Zeitintervalle abzutasten, um jeweilige erste und zweite Signale der Zelle zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Zeitintervalle je einem unterschiedlichen Abschnitt einer Halbperiode der zeitvariablen Erregung entsprechen, wobei ein erstes Zeitintervall und ein zweites Zeitintervall eine kombinierte Abtastdauer von weniger als einer Halbperiode der zeitvariablen Erregung aufweisen; und

gekennzeichnet durch eine Meßvorrichtung (60, 92, 94), die mit der Abtastvorrichtung verbunden ist, um die ersten und zweiten Signale der Zelle, wie sie während der ersten und zweiten Zeitintervalle abgetastet werden, zu messen und um das Ausgangssignal, das um die Auswirkung der Kapazität als eine Funktion der ersten und zweiten Signale der Zelle im wesentlichen berichtigt ist, zu erzeugen.

2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung eine Größe des ersten Signals der Zelle, das während des ersten Zeitintervalls abgetastet wird, und eine Größe des zweiten Signals der Zelle, das während des zweiten Zeitintervalls abgetastet wird, mißt.

3. Schaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung die Berichtigung als eine Funktion der Größen der ersten und zweiten Signale der Zelle, die während der ersten und zweiten Zeitintervalle abgetastet werden, berechnet.

4. Schaltkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastvorrichtung mindestens einen Schalter (152, 158) aufweist, der so gesteuert ist, daß er während des ersten Zeitintervalls leitet.

5. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung im wesentlichen eine Rechteckwellen-Wellenform aufweist.

6. Schaltkreis nach Anspruch 5) dadurch gekennzeichnet, daß das erste Zeitintervall ein Intervall mit einer Mittenabtastung innerhalb einer Halbperiode der Rechteckwellen- Wellenform ist.

7. Schaltkreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Zeitintervall ein Intervall mit einer Endabtastung innerhalb einer Halbperiode der Rechteckwellen-Wellenform ist.

8. Schaltkreis nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung einen Analog/Digital-Wandler (92, 94) aufweist, der die linear ansteigende Wellenfront integriert.

9. Schaltkreis nach Anspruch 8, daß er weiterhin folgendes aufweist:

eine Temperatur-Erfassungsvorrichtung (56, 58), die mit der Zelle verbunden ist, um eine Temperatur der Zelle zu erfassen und um der Meßvorrichtung ein Signal zuzuführen, das die Temperatur wiedergibt; und

dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung das Ausgangssignal um eine Auswirkung der Temperatur berichtigt.

10. Verfahren zur Messung einer Leitfähigkeit eines Fluids mit einer Leitfähigkeitszelle (20, 52, 54), wöbei das Verfahren folgendes aufweist:

Anlegen eines Wechselstrom-Antriebssignals an die Zelle;

Abtasten eines Ausgangssignals der Zelle während eines ersten Zeitintervalls, um ein erstes Signal der Zelle zu erzeugen;

Abtasten des Ausgangssignals der Zelle während eines zweiten, anderen Zeitintervalls, um ein zweites Signal der Zelle zu erzeugen, wobei die ersten und zweiten Zeitintervalle unterschiedlichen Abschnitten einer Halbperiode des Wechselstrom- Antriebssignals entsprechen und eine kombinierte Dauer von weniger als einer Halbperiode des Wechselstrom-Antriebssignals aufweisen;

Ableiten einer Berichtigung für einen kapazitätsinduzierten Fehler basierend auf den ersten und zweiten Signalen; und

Erzeugen eines Ausgangssignals, das eine gemessene Leitfähigkeit wiedergibt, basierend auf dem ersten Signal der Zelle und der Berichtigung.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Zeitintervall in einem mittleren Abschnitt einer Halbperiode des Wechselstrom-Antriebssignals auftritt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Zeitintervall in einem Abschnitt der Halbperiode auftritt, der sich zumindest teilweise vom mittleren Abschnitt unterscheidet.

13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Wechselstrom-Antriebssignal eine Rechteckwellen-Wellenform aufweist.