DE2325055C3 - Vorrichtung zum digitalen Messen der elektrischen Leitfähigkeit von leitenden Flüssigkeiten - Google Patents

Description

- . ■■ -— — >■"· ■·- "Ί ·"" wain- wicklung 5 sind mit der einen Seite der Spannunus-

weisen Anschaltung der positiven oder negativen ₂₅ quelle 7 und der bewegliche Kontakt des Umschal- ?.!^IC P^rl^C,,^tei^e1 ^Sl^{gnaIe an den} Integrator und ters 9 ist mit dem anderen Ende der Spannunj-s-

quelle 7 verbunden. Ein Ende der Vergleichswicklunuö ist mit dem genannten einen Ende der Spannungsquelle 7 verbunden, das andere Ende ist mit einem

eine ebenfalls in Reihe zum Integrator (19) liegende Vergleichsvorrichtung (20) zum Vergleich des

Ausgangssignals des Integrators mit einem Null- queue / verounaen. aas anuere nnae ist mn Einern I otential vorgesehen sind, sowie ein Pulszähler (23). 30 Zwischenabgriff des Potentiometers 8 über einen der vom Ausgangssigna] der Vergleichsvorrich- Widerstand 13 verbunden, der einen Wert hat. der der lung (20) gesteuert wird und dessen digitales Standardleitlahigkeit entspricht. Ausgangssignal der Leitfähigkeit der Flüssigkeit Mit dieser Vorrichtung wird die Leitfähigkeit in

en spricht, folgender Weise gemessen: wenn der Umschalter 9

J. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch ge- 35 auf Kontakt 10 liegt und die Kerne 1 und 2 in die zu kennzeichnet, daß die ersten Schahmittel (24. 25, messende elektrisch leitfähige Flüssigkeit tauchen *L*^a~*?^s?..^die Erregerwicklung (3) auf dem würde ein durch den magnetischen Fluß durch den

Kern 1 induzierter Strom durch die Flüssigkeit fließen. Dieser Strom schließt sich um den Kern 2, wie in der punktierten Linie gezeigt, und induziert eine Ausgangsspannung in der Ausgangswicklung 4, die der Leitfähigkeit der Flüssigkeit proportional ist! Da die Vergleichswicklung 6 so gewickelt ist, daß sie

gleichwicklung 6 so gewickelt ist, daß sie im Kern 2 einen magnetischen Fluß erzeugt, der dem durch den Strm d dh di Flüiki fliß

_ο— ...-...„..(-. ,,,, UUl «JVI11

ersten Kern (1) und die Bezugswick'ung (6) auf dem zweiten Kern (2) mit der Spannungsquelle (7) verbinden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator (19) zuerst die Ausgangsspannung e₂ der Ausgangswicklung (4)

des zweiten Kerns bei eingeschalteter Erreger- im i\.cm l einen magneuscnen nuu erzeugt, der dem wicklung (3) des ersten Kerns während einer 45 durch den Strom, der durch die Flüssigkeit fließt und Zeitspanne T₀ und anschließend die in ihrer den Kern 2 umschließt, induzierten Fluß entgegenPolarität umgekehrte Ausgangsspannung e\ der — '
Ausgangswicklung des zweiten Kerns bei eingeschalteter Bezugswicklung des ersten Kerns während der Zeitspanne T integriert, bis die Spannung 5°
den Nullwert erreicht hat.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichsvorrichtung (20)

(.in ΙΙΜΠ T <Λ*\ ' ....

gerichtet ist, wird die induzierte Ausgangsspannung in der Ausgangswicklung 4 der Differenz zwischen diesen beiden Flüssen proportional sein.

Die Ausgangsspannung einer solchen Leitfähigkeitsmeßvorrichtung wird jedoch durch die magnetischen Eigenschaften der Kerne 1 und 2 und durch Abweichungen der Spannungsquelle beeinflußt. Um

, _o—.,«..w! 10«, »WH uwii solche Einflüsse auszuschalten, wird oft ein Servo-

während der Zeitspanne T Impulse von einem 55 mechanismus in den Spannungsteiler 8 eingebaut. So Impulsgenerator (21) auf den Impulszähler (23) ein Servomechanismus regelt das Potentiometer so, j 1 1. ■- . ■ j_aß die Ausgangsspannung auf 0 gebracht wird und

ist als die Null-Methode bekannt. Solche Vorrichtungen können das Verhältnis der zu messenden Leit-Fähigkeit zur Standardleitfähigkeit in Abhängigkeil von der Stellung des Abgriffs des Potentiometers, d. h. dem Verhältnis der Spannungsteilung, bestimmen. Der Einbau solcher Servomechanismen kompli-

„ , —_u.w.w.u au.-! wiicin ziert nicht nur die Anordnung, sundern vergrößert

ersten magnetischen Kern mit einer ersten Wicklung, 65 auch die Möglichkeit für Fehler der Meßvorrichtung. einer Wechselspannungsquelle, ersten Schaltmitteln, überdies verlangl die herkömmliche Meßvorrichtung über die die Versorgung der ersten Wicklung mit eine Eichwicklung, um die Skala des Anzeigeinstru-Erregerstrom erfolgt, einem zweiten magnetischen ments zu eichen.

ein UND-Tor (22) nachgeschaltet ist, von dem während der Zeitspanr ~
Impulsgenerator (21) a
durchgeschaltet werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum digitalen Messen der elektrischen Leitfähigkeit von leitenden Flüssigkeiten, bestehend aus einem

Außerdem geht die neuere Entwicklung dahin, das Ausgangssigna] von Meßvorrichtungen digital darzustellen. Da in den älteren Vorrichtungen das Ausgangssignal der Ausgangswickiung durch einen konventionellen Analog-Digital-Umsetzer in eine digitale Größe umgesetzt wird, würde jeder Fehler in der Ausgangsspannung auch im Ausgangssignal des Umsetzers auftreten.

Es ist demnach die Aufgabe der Erfindung, eine sehr genaue elektromagnetische Meßvomchtung fur die digitale Messung der elektrischen Leitfähigkeit von Flüssigkeiten zu schaffen, die die oben genannten Nachteile nicht aufweist. Ferner soll eine neue und verbesserte elektromagnetische Leitfähigkeitsmeßvorrichtung geschaffen werden, die leicht zu handhaben ist und dere" Ergebnisse schnell nachprüfbar sind.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe, ausgehend von einer Vorrichtung zur Messung der Leitfähigkeit der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß ein Gleichrichter 15 zur Gleichrichtung der induzierten Spannung in der Ausgangswickiung 4 vorgesehen ist. wobei gleichgerichtete Ausgangssignale positiver und negaiiver Polarität erzeugt werden, daß ferner ein Integrator 19, in Reihe dazu liegende zweite Schaltmittel 16, 17, 18 zur wahlweisen Anschaltung der positiven oder negativen gleichgerichteten Signale an den Integrator und eine ebenfalls in Reihe zum Integrator 19 liegende Vergleichsvorrichtung 20 zum Vergleich des Ausgangssignals des Integrators mit einem Null-Potential vorgesehen sind, sowie ein Pulszähler 23, der vom Ausgangssignal der Vergleichsvorrichtung 20 gesteuert wird und dessen digitales Ausgangssignal der Leitfähigkeit der Flüssigkeit entspricht.

Die Erfindung ist nachstehend in einem Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnungen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt ein Schaltbild einer bekannten elektromagnetischen Vorrichtung zur Leitfähigkeitsmessung;

Fig. 2 ist ein Schaltbild einer digitalen Meßvorrichtung zur Messung der Leitfähigkeit von Flüssigkeiten gemäß der Erfindung;

F i g. 3 zeigt ein Diagramm zur Erklärung der Wirkungsweise eines Integrators, der in dieser Erfindung verwendet wird, und

F i g. 4 ist ein Schaltplan einer teilweise abgeänderten Ausführung dieser Erfindung.

In Fig. 2 sind Schaltelemente, die denen der F i g. 1 entsprechen, durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Ausgangsspannung der Ausgangswicklung 4 ist über einen Wechrelspannungsverstärker 14 an einen Gleichrichter 15 angeschlossen, der zwei Dioden entgegengesetzter Polarität enthält. Der Ausgang des Gleichrichters 15 ist mit zwei festen Kontakten des Umschalters 16 verbunden. Der bewegliehe Teil des Umschalters 16 ist mit einer Vergleichsvorrichtung 20 über einen Integrator 19 verbunden, und der Ausgang der Vergleichsvorrichtung 20 ist zusammen mit dem Ausgang eines Impulsgeneralors 21 an die Eingänge eines UND-Tores 22 gelegt. Der J₀ Ausgang des UND-Tores 22 liegt an einem Impulszähler 23, der eine digitale Größe ausgibt, die die Leitfähigkeit der zu messenden Flüssigkeit darstellt.

Die in F i g. 2 gezeigte Meßvorrichlung arbeitel wie folgt: die Spannung der Wechselspannungsquellc 7 sei i\. Wenn der Umschalter 24 auf den oberen Kontakt 25 gelegt wird, so wird der Ringkern 1 durch die Erregerspule erregt. Wenn, wie oben beschrieben.

beide Ringkerne 1 und 2 in die zu messende Flüssigkeit eingetaucht sind, wird ein Strom i in der Flüssigkeit induziert, und ein Teil des induzierten Stromes /" wird den Ringkern 2 umschließen, dadurch einen magnetischen Fluß in demselben induzieren und dadurch eine Spannung e₂ in der Ausgangswicklung 4 induzieren, die in der folgenden Gleichung (1) ausgedrückt ist.

e₂ =

"1 <2

Darin bedeutet

01 = die Kreisfrequenz der Quellenspannung fi, H₁ = die Windungszahl der Erregerspule 3, /i₂ = die Windungszahl der Ausgangswicklung 4, .»2 = die Permeabilität des magnetischen Kernes 2,
A₂ = die Querschnittsfläche des magnetischen

Kernes 2,

I, = die magnetische Länge des Kernes 2, k = einen Koeffizienten, der den Prozentsatz des Teiles Γ von dem induzierten Strom wiedergibt, der den magnetischen Kern 2 umschließt.
•j = die Leitfähigkeit der Flüssigkeit.

Wenn man den Umschalter 24 auf den unteren Kontakt 26 schaltet, ist die in der Ausgangswicklung 4 induzierte Spannung e, durch folgende Gleichung ausgedrückt:

/, m r

Hierbei bedeutet

H₂ = die Zahl der Windungen der Vergleichswicklung 6,

/η = das Verhältnis der Spannungsteilung des

Potentiometers 8,
r = der Widerstand des Widerstandes 13.

Liegt der Umschalter 16 auf Kontakt 17 und der Umschalter 24 auf dem oberen Kontakt 25, so wird die Ausgangsspannung e₂ des magnetischen Kerns 2 durch den Verstärker 14 verstärkt, durch den Gleichrichter 15 gleichgerichtet und dann durch den Integrator 19 fur eine bestimmte Zeit T₀ integriert.

Fi g. 3 zeigt die Wirkungsweise des Integrators 19. In Abhängigkeit von der Größe des Ausgangssignals des Gleichrichters 15 wird das Integral α,, α₂, α., ... nach der Zeit T₀ gebildet. Werden nun die Schalter 24 und 16 auf die Kontakte 26 und 18 gelegt, obwohl die Ausgangsspannung der Ausgangswickiung 4 gleich e'₂ ist, da die untere Diode mit der entgegengesetzten Polarität mit dem Kontakt 18 verbunden ist, so wird die Polarität des Ausgangssignals vom Gleichrichter umgekehrt, wodurch die Ausgangsspannung des Integrators 19 nach einem Intervall T Null wird, wie es· in F i g. 3 gezeigt ist.

Die Vergleichsvorrichtung 20 vergleicht die Ausgangsspannung des Integrators mit einem Null-Potential. Unter Berücksichtigung der Ausgangsspannung c₂ wird der Inlegratorausgang E wie folgt ausgedrückt

= j e₂dt = T₍₎e₂.

(3)

und für die Ausgangsspannung e'₂ wird die Integratorausgangsspannung E' wie folgt ausgedrückt:

T_n + T

E = J e'₂dt = Te₂. (4)

Das bedeutet, daß das Eingangsniveau an der Vergleichsvorrichtung vom Integrator nach dem Zeitintervall T₀-I-T Null wird.

Wenn nun angenommen wird, daß das UND-Tor 22 sofort nach dem Zeilintervall T₀ durchschaltet, so daß mit dem Zählen der Ausgangspulse des Pulsoszillators 21 durch den Zähler 23 begonnen werden kann, 'und daß der Zähler gestoppt wird, wenn der Ausgang von der Vergleichsvorrichtung 20 verschwindet, so erhält man mit Hilfe der Gleichungen (3) und (4):

T =

T₀

Wenn Gleichung (5) in die Gleichungen (1) und (2) eingesetzt wird, ergibt sich:

. «2 I¹I ^A2. _L _ T- "' '² T

* Λ 0

, /'2 ^A2 7 f« H₇ Mj —;

^{J 2 2} I₂ mr

k α m r

"l "2

Wenn der Widerstandswert r so abgeglichen ist, daß r = 1/yo ^{und wcnn das} Verhältnis der Spannungsteilung m am Potentiometer 8 so eingestellt ist. daß m = n, n'₂fk, dann wird

T =

i'o

T₀

Demgemäß erfolgt die Messung der Leitfähigkeit der zu messenden Flüssigkeit durch Auszählen des Intervalls T. Der Betrag des Intervalls T kann als digitales Ausgangssignal direkt am Zähler 23 abgelesen werden. Die Leitfähigkeit kann auch ohne irgendwelche Umwandlungsoperationen direkt durch bloßes Einstellen der Pulsfrequenz ausgeschrieben werden. Die Justierung der Werte r und m ist nicht immer nötig; es ist nur im Endstadium der Justierung der Leitfähigkeitsmeßvorrichtung nötig, halbfeste Werte dieser Parameter unter Benutzung einer Standardleitflüssigkeit auszuwählen.

F i g. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführung der Erfindung, mit der die Genauigkeit der Messung noch gesteigert werden kann. In dieser Ausführung wird ein Quotient aus der Differenz zwischen der induzierten Spannung e^, die der Leitfähigkeit ^ der Flüssigkeit entspricht, und der induzierten Spannung ei, die der Standardleitfähigkeit c>₀ entspricht, verwendet. Wenn in F i g. 4 der Schalter 27 geschlossen ist, wird die Ausgangsspannung der Ausgangswicklung 4 durch e₂ — <?2 ausgedrückt, und das Verhältnis dieser Ausgangsspannung zur Ausgangsspannung e'₂ unter der Bedingung, daß Schalter 27 geöffnet ist, wird durch die folgende Gleichung (7) in der gleichen Weise wie in der vorhergehenden Ausführungsform ausgedrückt:

T =

-e₂

T₀ =

T_n

Sogar wenn der zu messende Wert « nahe an dem Wert der Standardleitfähigkeit liegt, ist es möglich, ο mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.

Die Arbeitsweise der Leitfähigkeitsmeßvorrichtung nach dieser Erfindung kann schnell überprüft werden. Genauer, in der Schaltung in F i g. 2 wird zuerst der Umschalter 24 auf Kontakt 26 gelegt, um während der Zeit 7'o zu integrieren, und dann wird der Schalter 16 zum Integrieren umgeschaltet, während der Schalter 24 aui Kontakt 26 bleibt. Da der Gleichrichter IS die gleiche Eingangsspannung erhält, wird die Integrationszeit T = T₀, wodurch die Arbeitsweise der Meßvorrichtung nachprüfbar ist. Derselbe Zweck kann erreicht werden, wenn der Schalter 24 auf den Kontakt 25 gelegt wird.

Außer der Vorrichtung für eine digitale Anzeige des Meßergebnisses hat die Meßvorrichtung nach dieser Erfindung folgende Vorteile. So enthält, wie in den Gleichungen (1) und (2) gezeigt wird, die Ausgangsspannung der früheren Meßvorrichtungen die Quellenspannung e_t und die Konstanten «₂, A₂ und I₂ des magnetischen Ringes, wogegen die Ausgangsspannung, die durch die neue Leitfähigkeitsmeßvorrichtung erzeugt wird, nur die Parameter der Gleichung (6) enthalten sind. Da insbesondere die Permeabilität »₂ durch den herrschenden Druck und Temperatur beeinflußt wird, ist die neue Vorrichtung besonders für Messungen des Salzgehaltes in tiefem Seewasser geeignet. Da die Vcrgleichsvorrichtung durch Anlegen zweier Eingänge verschiedener Polarität an den Integrator auf Null-Potential betrieben wird, ist das Meßergebnis genauer, da es nicht durch Schwankungen der Spannungsquelle beeinflußt wird.

Da es ferner nicht nötig ist, irgendwelche komplizierten Mechanismen wie einen Servomechanismus zu verwenden, ist es möglich, eine verläßliche und kompakte Leitfähigkeitsmeßvorrichtung zu schaffen.

über den Umschalter ist ferner die richtige Arbeitsweise der Anordnung kontrollierbar. So ermöglicht die Erfindung eine verbesserte Meßvomchtung zur digitalen Messung der Leitfähigkeit von Flüssigkeiten durch elektromagnetische Induktion, die zuverlässig

SS arbeitet und sehr genau ist

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche: Kern mit einer zweiten Wicklung, einem Spannungsteiler, der an die Wechselspannungsquelle angeschlossen ist und einen bestimmten Teil der Wechselspannung an die zweite Wicklung legt, einer Ausgangswicklung auf dem zweiten Kern und einer Halterung für die beiden Kerne zum Eintauchen in die leitende Flüssigkeit, deren Leitfähigkeit gemessen werden boll. Zum besseren Verständnis der Erfindung wird zunächst ein Beispiel einer bekannten Leitfiihigkeits-

1. Vorrichtung zum digitalen Messen der elektrischen Leitfähigkeit von leitenden Flüssigkeiten,
bestehend aus einem ersten magnetischen Kern mil
einer ersten Wicklung, einer Wechselspannungsquelle, ersten Schaltmitteln über die die Versorgung der ersten Wicklung mit Erregerstrom erfolgt, zunacnsi ein Beispiel einer oeKannien Leiuanigkeitseinemzweiten magnetischen Kern mit einer zweiten io meßvorrichtung mittels elektromagnetischer Induk-Wicklung, einem Spannungsteiler, der an die tion nach Fig. 1 beschrieben. Die Vorrichlunu in Wecnselspannungsquelle angeschlossen ist und F i g. 1 besteht aus zwei magnetischen Kernen 1 und 2 einen bestimmten Teil der Wechselspannung an Kern 1 ist mit einer Primär-oder Erregungswicklun« 3 die zweite Wicklung legt, einer Ausgangswicklung versehen, und der Kern 2 mit einer Ausgangswickdut dem zweiten Kern und einer Halterung für die i₅ lung 4, einer Eichwicklung 5 und einer Standardoeiden Kerne zum Emtaucnen in die leitende oder Vergleichswickiung 6. 7 bezeichnet eine Wechselnussigkeit, deren Leitfähigkeit gemessen werden Spannungsquelle, deren Spannung an die Vergleichs-SOIi, α a d u r c h g e k e η η ζ e ι c h η e t, daß ein wicklung 6 über ein Potentiometer 8 angelegt ist Ein ujeicftnchter (15) zur Gleichrichtung der induzier- fester Kontakt IO eines Umschalters 9 ist mit einem ten spannung in der Ausgangswicklung (4) vorge- ₂o Ende der Primärwicklung 3 verbunden und der sehen ist, wobei gleichgerichtete Ausgangssignale
positiver und negativer Polarität erzeugt werden,
daß ferner ein Integrator (19), in Reihe dazu He

gende zweite Schahmittel (16. 17, 18) zur wahl-

andere feste Kontakt 11 ist mit dem Ende der Eichwick'un^ 5 über einen Widerstand 12 verbunden. Die anderen Enden der Primärwicklung 3 und der Eich-