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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der
Leitfähigkeit einer Flüssigkeit, bei welchem zwei Elektroden in Kontakt
mit der Flüssigkeit gebracht werden und ein Rechteckpuls in
der Spannung oder im Strom mit vorbestimmter Polarität an die
Elektroden angelegt wird, wobei der Strom, der zwischen den
Elektroden fließt, oder die Spannung zwischen den Elektroden
an drei oder mehr verschiedenen Zeitpunkten während des
Rechteckpulses abgetastet wird, wobei die Leitfähigkeit der
Flüssigkeit auf der Grundlage der abgetasteten Strom- oder
Spannungswerte an den Zeitpunkten bestimmt wird.
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Es ist bekannt, daß beim Messen der Leitfähigkeit die
Polarisation, welche an den Elektroden auftreten kann, einen
störenden Einfluß haben kann. Dieser Einfluß wird bereits in einem
erheblichen Maß durch die Verwendung einer Spannung oder eines
Stroms mit wechselnder Polung, verglichen mit der Verwendung
von Gleichspannung oder -strom, beschränkt. Dennoch bleibt die
Polarisation ein Faktor, der das Meßergebnis beeinflussen
kann, welches man aus dem Quotienten von Strom und Spannung
zwischen den Elektroden erhält.
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Es ist weiterhin bekannt, daß der Einfluß der Polarisation mit
höheren Frequenzen abnimmt, weil die Polarisation in der Form
einer Schicht von Ladungsträgern an der Oberfläche der
Elektrode und unmittelbar außerhalb davon allmählich während des
Stromflusses in eine Richtung aufgebaut werden kann. In
einer
ersten Näherung ist die Entwicklung von Spannung und Strom in
einem Abschnitt, in welchem Polarisation eine Rolle spielt,
vergleichbar mit der Entwicklung dieser Größen in einem
Kondensator, in welchem die Dicke der dielektrischen Schicht sich
während der Bildung der Polarisation ändert. Aus diesen
Gründen ist es äußerst schwierig, aus dem gemessenen Strom und der
gemessenen Spannung abzuleiten, welcher Teil der Spannung den
Widerstand der Flüssigkeit und welcher Teil der Polarisation
zugeordnet werden muß.
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Die Lösung, die Frequenz soweit zu erhöhen, daß die
Polarisation keine Rolle mehr spielt, ist jedoch auch weniger
attraktiv. Dies liegt daran, daß bei höheren Frequenzen parasitäre
Kapazitäten einen wachsenden Einfluß haben und daß dieser
Einfluß, z. B. beim Messen von relativ hohen Widerständen von
schlecht leitenden Flüssigkeiten, einen Störfaktor für die
Messung bildet.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung wie im ersten Absatz dieser
Beschreibung beschrieben ist aus DE-A-3 517 772 bekannt, bei
welchen die Polarisation ausgeschieden wird, indem die
Spannungswerte abgetastet werden, welche zwischen zwei Elektroden,
die in Kontakt mit der zu messenden Flüssigkeit stehen,
während eines rechteckigen, in eine Richtung gerichteten
Strompulses auftreten. Aus einer Vielzahl von Abtastwerten werden
die erste und die zweite Ableitung abgeleitet. Die Spannung,
bei welcher die erste Ableitung Null ist, wird als die
Spannung betrachtet, welche dem Strom entspricht, wenn keine
Kapazitäts- oder Polarisationseffekte auftreten. Eine zweite
Möglichkeit besteht darin, die Spannung auszuwählen, bei
welcher die erste Ableitung ihr Vorzeichen wechselt, was bedeutet,
daß die zweite Ableitung Null ist.
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Ein solches System benötigt eine ziemlich große Anzahl von
Abtastwerten, um sicher zu sein, daß der richtige
Spannungswert
ausgewählt wird. Tatsächlich wird die Spannung immer
steigen, erstens aufgrund des Umkehrens von elektrischen
Ladungen und später wegen des Wachsens der Polarisation. Daher
wird ein Wert Null der ersten Ableitung der Spannung nur
näherungsweise auftreten. Außerdem wird das Anwachsen oder
Abnehmen der ersten Ableitung sehr klein sein, so daß der Punkt, wo
sie ihr Vorzeichen ändert, nicht leicht und zuverlässig mit
einer hohen Genauigkeit festgestellt werden kann. Die relativ
große Anzahl von Abtastwerten, die während jedem Strompuls
aufgenommen werden müssen, bedingt eine Grenze entweder für
die Genauigkeit (im Fall einer eher begrenzten Anzahl von
Abtastwerten in einem Strompuls) oder der Meßrate (wegen der
endlichen Zeit, die nötig ist, um einen Abtastwert auf
zunehmen).
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Außerdem ist die Meßrate dieses bekannten Systems wegen des
Vorhandenseins einer Ruhedauer zwischen aufeinander folgenden
Strompulsen stark herabgesetzt.
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Die Erfindung zielt darauf hin, ein Verfahren zu schaffen,
welches frei von diesen Einschränkungen ist und eine genaue
Messung mit einer hohen Meßrate gestattet.
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Diese Ziele werden mit dem Verfahren nach Anspruch 1 erreicht.
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Ein solches Verfahren gestattet nicht nur eine rasche und
genaue Messung der Leitfähigkeit, sondern auch des Imaginärteils
der Impedanz, welcher, wie gut bekannt ist, wichtig für das
Bestimmen der Wechselstromleitfähigkeit, besonders bei hohen
Frequenzen, sein kann.
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In dieser Hinsicht wird auf FR-A-2 581 196 verwiesen, in
welcher eine Vorrichtung zum Messen des spezifischen Widerstandes
von dielektrischen Flüssigkeiten gezeigt wurde, in welcher die
vorübergehenden Anteile der Rechteckspannung entfernt werden,
welche auf die parasitären Kapazitäten zurückzuführen sind.
Dies steht im Gegensatz zu der Erfindung, bei welcher
Abtastwerte in den vorübergehenden Abschnitten für die Verwendung in
dem Prozessor willkommen sind.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist
vorgesehen, daß der Rechteckpuls die positive oder negative Hälfte
einer symmetrischen rechteckigen Wechselspannung oder eines
symmetrischen rechteckigen Wechselstroms ist. Bei dieser
Ausführungsform der Erfindung erhält man eine doppelte Spannungs-
oder Stromänderung am Beginn des Rechteckpulses. Dies führt zu
einer Erhöhung der Abweichung von dem Gleichgewichtszustand,
was günstig ist, weil die Unterschiede zwischen Abtastwerten
erhöht werden.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es
vorgesehen, daß die Frequenz der Wechselspannung oder des
Wechselstroms mit einem höheren Wert des Imaginärteils oder
einer größeren Differenz zwischen Abtastwerten zu
vorbestimmten Zeitpunkten erhöht wird. Dieses Merkmal gestattet es,
immer unter günstigen Bedingungen zu arbeiten, weil ein zu hoher
Imaginärteil die Genauigkeit der Messung des resistiven
Anteils beeinträchtigen würde.
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Die Erfindung umfaßt weiterhin eine Vorrichtung wie in
Anspruch 4 definiert und deren Verbesserung, welche in Anspruch
5 definiert ist.
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Die Erfindung ist im folgenden weiter durch die Zeichnung
erläutert, in welcher
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Fig. 1 schematisch die Entwicklung der Spannung und des
Stroms zwischen den Elektroden zeigt und
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Fig. 2 ein vereinfachtes Schema einer Vorrichtung zum
Anwenden der Erfindung zeigt.
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In Fig. 1 bezeichnet die Linie a den Verlauf der Spannung von
der Spannungsquelle. Diese Quelle ist ein Generator für eine
symmetrische Rechteckspannung, welche auf der linken Seite der
Fig. 1 mit einer relativ geringen Frequenz und auf der rechten
Seite mit einer höheren Frequenz gezeigt ist.
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Die Kurve b bezeichnet den Verlauf des Stroms. Wenn Strom in
eine vorbestimmte Richtung fließt, werden Ladungen am Übergang
zwischen den Elektroden und der Flüssigkeit durch die
Behinderung des Stromflusses erzeugt, welche durch Polarisation
verursacht wird. Durch Ändern der Richtung der Spannung oder
der Polung wirken diese angesammelten Ladungen mit der
angelegten Spannung zusammen, um einen relativ großen Strom zu
ergeben, welcher jedoch danach exponentiell abfällt und bei
dem folgenden Wechsel der Polung der Spannung zu einem großen
Strom mit entgegengesetzter Richtung invertiert wird.
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In Fig. 1 wurde angedeutet, daß an den Zeitpunkten t&sub1;, t&sub2; und
t&sub3; der Stromwert bestimmt wird. Dies geschieht mit einer
Abtastvorrichtung, welche für sich genommen bekannt ist und z. B.
einen Kondensator auf eine Spannung auf lädt, welche
proportional zu dem Strom ist. Zu dem Zeitpunkt t&sub1; wird die Verbindung
mit dem Kondensator dann unterbrochen und die in dem
Kondensator gespeicherte Spannung wird einem Prozessor über eine
geeignete Schaltung zugeführt, vorzugsweise nach einer
Digitalisierung. Dasselbe wird zu den Zeitpunkten t&sub2; und t&sub3; wiederholt.
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In der gezeigten Ausführungsform liegt t&sub1; bei 40% der Periode
der positiven Spannung und des Stroms, t&sub2; bei 60% und t&sub3; bei
80%. Diese Werte sind allein zum Zwecke der Erläuterung
gewählt. Bei einem Wert, welcher sehr nahe bei der
Spannungsänderung liegt, wird die Möglichkeit auftreten, daß die schnelle
Änderung des Stroms eine unzureichende Zeit bedingt hat, um
den Kondensator oder ein anderes Abtastelement mit
hinreichender Genauigkeit zu laden, womit beim Abtasten zu einem
Zeitpunkt
kurz vor der Spannungsänderung die Unterschiede der
gemessenen Stromwerte sehr klein sind.
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Die Zeitpunkte t&sub1;, t&sub2; und t&sub3; erhält man zum Beispiel, indem man
die Periode der Quelle, welche die Spannung a liefert, durch
zehn teilt und eine Abtastung am Beginn des vierten, sechsten
und achten Teilstücks durchführt.
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Im rechten Teil der Fig. 1 sind dieselben Größen angegeben,
aber jetzt für eine höhere Frequenz. Bei einer höheren
Frequenz wird der Einfluß der Polarisation wesentlich kleiner und
die gemessenen Stromwerte werden hauptsächlich durch den
Widerstand der Flüssigkeit zwischen den Elektroden bestimmt,
wenn eine bestimmte Spannung an die Elektroden angelegt wird.
Die Erfindung beruht darauf, daß gemäß einem ersten Aspekt aus
den Differenzen zwischen den Werten b&sub1;, b&sub2; und b&sub3; abgeleitet
wird, wie groß der Einfluß der Polarisation ist. Wenn das
Meßgerät für eine Flüssigkeit mit einer erheblich abweichenden
spezifischen Leitfähigkeit verwendet wird, können auch die
Ströme bei derselben Spannung wesentlich voneinander
abweichen. In diesem Fall kann in Betracht gezogen werden, nicht
die Differenzen zwischen b&sub1;, b&sub2; und b&sub3;, sondern ihren
Quotienten zu bestimmen. Aus diesen Differenzen oder Quotienten kann
dann ermittelt werden, daß die Abweichung von einem konstanten
Spannungsverlauf, welcher einem Fehlen von Polarisation
entsprechen würde, einen unerwünscht hohen Wert hat. In diesem
Fall wird die Frequenz erhöht und, wie in Fig. 1 zu sehen ist,
der Einfluß der Polarisation ist in diesem Fall wesentlich
geringer.
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Die Erfindung hat jedoch den Vorteil, daß man immer mit der
kleinsten Frequenz messen kann, bei welcher die Polarisation
innerhalb akzeptabler Grenzen bleibt.
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In der Ausführungsform der Fig. 1 wurde eine symmetrische
Rechteckspannung als Einspeisung der Elektroden angedeutet. Es
ist jedoch klar, daß auch bei anderen Formen einer Spannung
mit wechselnder Polung die Polarisation den momentanen Strom
beeinflußt, d. h. in dem Sinn, daß der Strom durch die
Polarisation immer direkt nach einer Spannungsänderung erhöht wird
und direkt vor einer Spannungsänderung verringert wird. Auf
diese Weise wird eine Sinusspannung, welche symmetrisch
bezüglich des Zentrums einer Halbperiode abgetastet wird, immer
einen höheren Stromwert zu einem Zeitpunkt vor diesem Zentrum
als zu einem nach diesem Zentrum ergeben.
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In Fig. 2 ist eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum
Anwenden der Erfindung schematisch angedeutet.
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Ein Spannungsgenerator 1 ist mit Elektroden 2 und 3 verbunden.
In die Verbindung zwischen dem Generator 1 und den Elektroden
2 ist ein Strommeßgerät 4 eingefügt worden, welches zwei
Ausgänge besitzt, über welchen eine Spannung vorhanden ist,
welche proportional zu dem Strom in dem Kreis 1, 2, 3 ist. Der
Ausgang 5 des Strommeßgerätes 4 ist direkt mit einem
Kondensator 6 und über einen Kontakt 8 mit dem anderen Ausgang 7
verbunden. Dieser Kontakt ist mit einem Kontakt 9 gekoppelt,
so daß dann, wenn der Kontakt 8 offen ist, der Kontakt 9
geschlossen ist und umgekehrt. Die Kontakte 8 und 9 werden durch
eine Steuereinheit 10 bedient. Der Wert der Spannung an dem
Kondensator 6, welcher mit Hilfe des Kontakts 9 aufgenommen
wird, wird in eine Digitalisierungsvorrichtung 11 eingespeist,
welche mit einem Prozessor 12 verbunden ist. Dieser Prozessor
besitzt einen Speicher, in dem Vergleichswerte für die
Quotienten von Spannungswerten, die nacheinander an dem
Kondensator 6 abgenommen werden, eingegeben sind, und ist dafür
eingerichtet, die Frequenz des Generators 1 mit Hilfe eines
Ausgangs 13 zu regeln, nachdem er diese Quotienten mit den
festen Werten verglichen hat.
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Weiterhin kann der Prozessor 12 mit einer Recheneinrichtung
versehen sein, um den Widerstandsfaktor und den
Kapazitätsfaktor aus mindestens drei Stromabtastwerten, die in einer
Periode derselben Spannung aufgenommen wurden, unter der Annahme
zu bestimmen, daß der Stromverlauf exponentiell mit der Zeit
variiert. Diese Annahme ist im allgemeinen hinreichend genau,
um zu einer Bestimmung der Widerstandskomponente der Impedanz
zwischen den Elektroden 2 und 3 zu gelangen.
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Es ist dann auch möglich, die kapazitive Komponente zu
berechnen, welche ein Maß für die Polarisation ist. Diese Werte
können angezeigt werden, z. B. auf einer Anzeigevorrichtung 14.
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Die Erfindung gestattet es auch, den Widerstand des
Flüssigkeitskörpers zwischen den Elektroden 2 und 3 aus der Spannung
des Generators 1 und dem gemessenen Strom zwischen den
Elektroden 2 und 3 zu bestimmen. Dieser Wert kann dann mit dem
Widerstandsquotienten der Impedanz zwischen den Elektroden 2
und 3 verglichen werden, aus welchem ebenfalls ein Maß für die
Polarisation folgt. Durch diesen Vergleich ist es auch
möglich, sicherzugehen, daß keine so großen Differenzen
auftreten, daß die Messung unzuverlässig geworden ist, z. B. durch
das Bilden von Gas an einer der Elektroden oder eine
ernsthafte Verschmutzung von ihr.
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Natürlich ist Fig. 2 nur eine schematische Skizze einer
Vorrichtung gemäß der Erfindung und insbesondere die Elemente 8,
9 und 10 können durch elektronische Schalteinrichtungen
gebildet werden. Ebenfalls kann Bezugszeichen 1 eine Stromquelle
sein, welche einen vorbestimmten Strom zwischen den Elektroden
2 und 3 fließen läßt, und Bezugszeichen 4 kann ein Meßgerät
zum Bestimmen der Spannung zwischen den Elektroden 2 und 3
sein.
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Weiterhin kann die Quelle 1 eine Spannung oder einen Strom von
beliebiger Form abgeben, vorausgesetzt, daß Strom und Spannung
zu denselben Zeitpunkten während einer Periode derselben
Polarität bekannt sind oder gemessen werden.
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Ebenfalls kann die Frequenzsteuerung, welche von dem Prozessor
12 ausgeht und durch die Verbindung 13 angedeutet ist, in
vielen verschiedenen Weisen realisiert werden und es ist sogar
möglich, den Generator 1 als eine Triggerschaltung auszuführen
und den Prozessor zum Triggern und Aktivieren der
Schaltvorrichtung 10 aktiv sein zu lassen. Wenn gewünscht, kann die
Ausgangsspannung des Generators 11 auch auf der Grundlage des
gemessenen Widerstands eingestellt werden.
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Schließlich kann die Anzeigevorrichtung 14 von jeder
gewünschten Art sein.