-
Verfahren zur Bestimmung der elektrisdhen Leitfähigkeit
Es ist bekannt,
die elektrische Leitfähigkeit von Stoffen mit Hilfe der Wechselstrombrücke zu messen.
Zur Bestimmung der Leitfähigkeit von Elektrolyten werden diese dabei in sogenannte
Leitfähigkeitsmeßgefäße eingebracht, in denen platinierte Platinelektroden möglichst
großer Oberfläche angeordnet und in die Wechselstrombrücke eingeschaltet sind. Diese
Methode hat den Nachteil, daß die Messungen durch die Benutzung von Elektroden beeinflußt
werden.
-
Es ist weiterhin schon vorgeschlagen worden, die Leitfähigkeit einer
Materie dadurch zu bestimmen, daß die Hochfrequenzverluste einer Spule, deren magnetisches
Feld die zu untersuchende Materie enthält, ohne Elektroden gemessen werden. Dieses
Verfahren hat mehrere Vorteile, die im wesentlichen darauf beruhen, daß die Verwendung
von Elektroden und damit alle durch die Elektroden bedingten Störungen und Schwierigkeiten
entfallen.
-
Bei dem Verfahren der Messung der Hochfrequenzverluste können je
nach der Methode Zweideutigkeiten der Meßergebnisse auftreten, die zwar bei Substitutionsmessungen
im allgemeinen nicht stören, die aber bei anderen Messungen von Nachteil sein können.
Die Hauptursache der Zweideutigkeit der Messung sei an Hand eines schematischen
Beispiels erläutert.
-
Eine Induktivität mit Wirbelstromverlusten ist als ein Transformator
anzusehen, dessen Sekundär-
wicklung mit einem von der Leitfähigkeit
der Materie, in dem die Wirbelströme entstehen, abhängigen Widerstand belastet ist.
Die Leistungsübertragung eines Transformators besitzt .bei Anderung der Belastung
zwischen Leerlauf und Kurzschluß ein Maximum.
-
Dies bedeutet in Übertragung auf das Verfahren zur Messung der Leitfähigkeit
durch Bestimmung der Hochfrequenzverluste, daß bei zwei vetschiedenen Leitfähigkeiten
derselbe dämpfende Effekt auftritt, d. h. ein gemessener Wert kann zwei verschiedene
Leitfähigkeiten anzeigen.
-
Der Erfindung liegt nun, um zu einer Eindeutigkeit der Anzeige zu
kommen, der Gedanke zugrunde, außer der dämpfenden Wirkung nodh andere Einwirkungen
der Wirbelströme, die in dem Feld der Meßvorrichtung im Medium entstehen, zu bestimmen.
Die Erfindung besteht darin, daß außer der Dämpfungsmessung die Größe der Änderung
der Induktivität der Meßspule zur Bestimmung der Leitfähigkeit herangezogen wird.
Dies hat den Vorteil, daß die eindeutige Zuordnung der Messung gegeben ist und daß
man zwischen zwei Fäller gleicher Dämpfung den der tatsächlich vorliegenden Leitfähigkeit
feststellen kann.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf unterschiedliche Art und
Weise durchgeführt werden.
-
Eine Ausführungsform des Verfahrens besteht darin, daß zur Beurteilung
der größeren Leitfähigkeit bestimmt wird, ob die in der Schwingsehaltung auftretende
Frequenz größer oder kleiner als die bei der Maximal dämpfung auftretende Frequenz
ist.
-
Hierzu kann, da die verwendeten Schaltungen eine frequenzabhängige
Kopplung besitzen, die Schwingungsamplitude durch einen Indikator gemessen werden,
der nur für tiefere Frequenz als die kritische empfindlich ist. Naturgemäß kann
die Schwingungsamplitude aber auch durch einen Indikator gemessen werden, der nur
für höhere Frequenzen als die kritische empfindlich ist. Der Indikator sei an Hand
des Prinzipschemas in Abb. I und 2 dargestellt. Die Abb. I zeigt einen Indikator,
der nur für tiefere Frequenz, Abb. 2 einen Indikator, der nur für höhere Frequenz
als die kritische anzeigt.
-
Es ist vorteilhaft, dieser Schaltung durch entsprechende Verfügung
über die Lage der Dämpfungspole einen sehr steilen Dämpfungsanstieg jenseits der
Grenzfrequenzen zu geben. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch derart durchgeführt
werden, daß die Rückkopplung einer Schwingschaltung entweder nur bei höherer oder
nur bei tieferer als der kritischen Induktivität wirksam ist. Dieses Verfahren sist
in erster Linie für eine Schwingaudionmessung zur Sicherung einer eindeutigen Anzeige
geeignet. Bei dem Verfahren wird die Rückkopplung so dimensioniert, daß sich bei
zu kleinen oder zu großen Induktivitäten keine Schwingungen erregen können.
-
Zur Erläuterung der Schaltungsmöglichkeiten von Generatorschaltungen,
wie die Rückkopplungsschaltungen oder die sogenannten negativen Widerstände, Dynatron,
Lichtbogen usw., kann folgendes dienen: Die von einer aus einem rückgekoppelten
Verstärker oder einer anderen selbsterregbaren Schaltung hervorgebrachte Schwingungsamplitude
ist darstellbar als Funktion des Verstärkungsgrades und des Rückkopplungsfaktors,
die sich aus den allgemeinen Selbsterregerbedingungen KV = I berechnen läßt, wenn
man K und V nach Amplitude und Phase kennt. So läßt sich von der Dämpfung oder der
Phasendrehung oder beiden eines der Schaltelemente abhängig machen, indem man mit
diesem Schaltelement entweder den Rückkopplungsgrad oder den Verstärkungsfaktor
oder beide steuert. Dann wird also eine gewisse Funktion der beiden Variablen, Dämpfung
und Phasendrehung, direkt angezeigt. Ist entweder diese Verbindung bedeutungsvoll
oder sind die beidenVariablen, Dämpfung und Phasendrehung, Funktionen einer Urvariablen,
nämlich der zu messenden Größe, so ermöglicht die Schaltung ein brauchbares Meßverfahren.
Dabei kann das Schaltelement entweder im Eingangs- oder Ausgangskreisverstärker
oder Generator oder auch in den Rückkopplungsweg eingebaut sein.
-
Die Anzeige der verschiedenen Leitfähigkeitswerte kann in bekannter
Weise durch Messung der Amplitude des Generators z. B. über den Anodenstrom (Audioneffekt)
oder durch eine besondere Röhrenvoltmeter- oder Detektorschaltung erfolgen.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren sei an Hand mehrerer Prinzipschaltungen
erläutert.
-
Abb. 3 zeigt eine Schaltung mit loser sekundärer Rückkopplung. Zur
Entstehung einer Schwingung ist notwendig, daß die beiden Schwingungskreise 1 und
2 induktiv sind, wenn die Rückkopplung durch einen richtig gepolten Transformator
vorgenommen wird. Die Frequenz wird im wesentlichen durch den Anodenschwingungskreis
2 bestimmt. Die erzeugte Frequenz wächst mit zunehmender Gleitfähig keit. Ist nun
die Abstimmung des Gitterkreises so gewählt, daß beim Wachsen der Frequenz die Resonanzlage
überschritten wird, so ändert sich die Phasenlage der Rückkopplung um 1800, und
die Schwingung reißt ab. Bei umgekehrter Polung des Transformators wäre erst in
diesem Fall die Selbsterregungsbedingung erfüllt, und es würden sich erst bei größeren
Leitfähigkeiten Schwingungen erregen lassen. Es ist natürlich gleichgültig, ob die
Kopplung induktiv oder kapazitiv oder als sogenannte innere Rückkopplung über die
Gitteranodenkapazität der Röhre (Huth-Kühn-Schaltung) erfolgt.
-
Ähnliche Wirkungen lassen sich auch mit Dreipunktschaltungen erzielen,
bei denen in erster Linie Größenbeziehungen und nicht, wie bei der eben beschriebenen
Schaltung, Phasenbeziehungen ausgenutzt werden.
-
Die Abb. 4 zeigt eine Rückkopplungsschaltung, bei der die Stärke
der Rückkopplung durch das Verhältnis Lg und die Verstärkung durch den Re-La sonanzwiderstand
des aus Lg, La und C bestehenden Kreises gegeben ist. Lg sei die Meßspule: dann
nehmen
beide Großen mit wachsender Leitfähigkeit zunächst ab, wobei die Größen von Lg und
La so zu wählen sind, daß die Schwingung spätestens bei Erreichen der kritischen
Frequenz aufhört. Da die Induktivität später nicht wieder wächst, lebt die Schwingung
nicht wieder auf.
-
Die .-2usführungsform nach Abb. 5 zeigt eine Schaltung, bei der.ll
oder L als Meßspule eingeschaltet sind. Da hei Il=o der Rückkopplungsfaktor= Cist,
nimmt er mit wachsender Frequenz K stark ah, da die Kapazität K durch eine Serienschaltung
von 111 und K ersetzt ist, deren kapazitiver Widerstand mit zunehmender Frequenz
kleiner und schließlich induktiv wird. Bei induktivem Widerstand sind die Selbsterregungsbedingungen
nicht mehr erfüllt. Die Schwingung reißt jedoch schon vorher ab, da der kapazitive
Widerstand im Gitterkreis zu klein wird.
-
Die Al)l). 6 und 7 zeigen zwei andere Schaltungen. Bei der Schaltung
nach Abb. 6 muß die Parallelschaltung K, J kapazitiv sein, d. h. M darf eine gewisse
Größe nicht unterschreiten, während bei der Schaltung nach RAbb. 7 die Parallelschaltung
K, M induktiv sein muß.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit einer Rückkopplungsschaltung
vorteilhaft durchgeführt werden, die einen mehrstufigen Röhrenverstärker enthält.
Dadurch wird die Meßempfindlichkeit gesteigert. Die Dimensionierung ist einfach
mit bekannten MittelnLclurchzufiilhren, weil die einzelnen Eigenschaften auf getrennte
Schaltelemente verteilt werden können. So ergibt sich eine bequeme Regelung von
Rückkopplung und Verstärkung.
-
Das ersindungsgemäße Verfahren kann weiterhin so durchgeführt werden,
daß die einfachen Schaltelemente, Spulen und Kondensatoren, in an sich bekannter
Weise durch Netzwerke ersetzt werden, wodurch ebenfalls etwa gewünschte Frequenzcharakteristiken
leichter realisiert werden können.
-
PATENTANSPREFCHF I. Verfahren zur elektrodenlosen Bestimmung der
Leitfähigkeit eines Mediums durch Messung der Hochfrequenzverluste im Medium, dadurch
gekennzeichnet, daß außer der Dämpfungsmessung die Größe der Änderung der Induktivität
der Meßspule zur Bestimmung der Leitfähigkeit herangezogen wird.