Einrichtung zur Prüfung der Leitfähigkeit von Elektrolyten durch elektrische Widerstandsmessung. Die Prüfung der Leitfähigkeit von Elek trolyten durch elektrische Widerstandsmes sung wird mehr und mehr dazu benutzt, um die chemische Beschaffenheit von Elektro lyten zu prüfen oder konstant zu halten. Dabei handelt es sich um die Aufgabe, den Einfluss von Elektr-olytternper-atur zu berück sichtigen, da der Widerstand eines Elektro lyten ausser von der Konzentration in starkem Masse von der Temperatur abhängig ist.
Dieser Widerstand wird bekanntlich pro Grad Celsius Temperaturzunahme um etwa 2 bis 3 % kleiner. Dran ist daher in manchen Fällen so vorgegangen, dass nian neben der elektrischen Widerstandsmessung noch eine Temperaturmessung ausführt und unter Zu hilfenahme von Zahlentabellen oder Kurven blättern die gemessenen Widerstandswerte korrigierte.
Ein solches Verfahren ist aber umständlich und zeitraubend, besonders wenn das Messergebnis durch ein Schreibgerät fort laufend registriert wird oder die Konzentration durch eine selbsttätig wirkende Regelvor richtung auf einen konstanten Sollzustand geregelt werden soll. Aus diesem Grunde ist bereits versucht worden, den Einfluss der Elektrolyttemperatur durch eine Temperatur kompensationsschaltung bei der Widerstands messung von vornherein auszuschalten. Eine derartige Kompensationsanordnung besteht zum Beispiel darin, dass man parallel zu dem Elektrolyten und vor diesen je einen Wider stand von geeigneter Grösse und geeignetem Temperaturkoeffizienten schaltet.
Man erhält dann eine Kombination, deren Gesamtwider stand innerhalb bestimmter Konzentrations- und Temperaturgrenzen als Mass für die Konzentration dienen kann, da der Einfluss der Elektrolyttemperatur mehr oder weniger genau ausgeglichen ist. Die praktische Durch führung dieser Methode führt aber zu ge wissen messtechnischen Schwierigkeiten, die hauptsächlich darin liegen, dass die zum Be trieb des elektrischen Widerstandsmessgerätes zur Verfügung stehende Energie infolge der kraftverzehrenden Wirkung dieser Kompen sationsschaltung in sehr vielen Fällen so gering ist, dass eine einwandfreie Messung nicht mehr möglich ist.
Es sind auch Einrichtungen für Elektro- lytmessungen bekannt geworden, bei denen auf das bewegliche Organ des zur Leitfähig- keitsmessungvorgesehenen elektrischenWider- standsmessgerätes mehrere Spulen oder Spu- lengruppen einwirken, von denen eine Spule- oder Spulengruppe von einem oder mehreren, dem Elektrolytstrom proportionalen Strömen durchflossen wird,
während gleichzeitig eine andere Spule oder Spulengruppe von einem oder mehreren Strömen durchflossen wird, dessen beziehungsweise deren Einwirkung den Einfluss von Temperaturschwankungen des Elektrolyten auf das Messergebnis kom pensiert.
Ferner ist bekannt, dass bei Elek- trolytmessungen zum Zwecke der Tempera turkompensation desElektrolyten eineBrücken- schaltung vorzusehen ist, in deren Zweigen sowohl der Elektrolyt, als auch ein der Elektrolyttemperatur ausgesetzter, temperatur abhängiger Widerstand (Widerstandsthermo meter) angeordnet ist, wobei der die eine Teilspule des Widerstandsmessgerätes durch- fliessendeMessstrom(Diagonalstrom derBrücke) der Leitfähigkeit des Elektrolyten angenähert proportional ist.
Diese bekannten Anordnungen zur Kom pensation des Einflusses der Elektrolyttem- peratur haben alle den grundsätzlichen Nach teil, dass die Konzentrationsänderung des Elektrolyten in der Temperaturkompensation nur in verhältnismässig engen Grenzen be rücksichtigt wird, da eine derartige Kom pensation tatsächlich nur in einem beziehungs weise zwei Punkten des Konzentrationsmess- bereiches richtig ist.
Je grösser die zu er fassenden Konzentrations- und Temperatur bereiche sind, desto grösser werden die ausser halb dieser Punkte auftretenden Abweichun- gen,.die praktisch alsMessfehler in Erscheinung treten. In dem besonderen Fall, dass der Elektrolyt die Leitfähigkeit Null hat, das heisst reines Destillat darstellt, zeigt dann das Widerstandsmessgerät irgend einen, ledig lich von der Elektrolyttemperatur abhängigen Ausschlag, der einen der Wirklichkeit nicht entsprechenden Konzentrationszustand vor täuschen kann.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Einrichtung zur Prüfung der Leit fähigkeit von Elektrolyten durch elektrische Widerstandsmessung, bei der die Berück sichtigung der Elektrolyttemperatur unter Vermeidung der oben erwähnten Nachteile erfolgt.
Bei dieser Einrichtung ist wie bei den bekannten Einrichtungen ein elektrisches Widerstandsrnessgerät vorgesehen, auf dessen bewegliches Organ mehrere Spulen oder Spulengruppen einwirken, von denen eine Spule oder Spulengruppe von einem dem Elektrolytstrom proportionalen Strom durch flossen wird, während gleichzeitig eine andere Spule oder Spulengruppe von einem Strom durchflossen wird, dessen Einwirkung den Einfluss von Schwankungen der Elektrolyt temperatur auf das DZessergebnis kompensiert.
Die Erfindung besteht darin, dass diejenige Spule oder Spulengruppe, deren Einwirkung den Einfluss von Schwankungen der Elektro- lyttemperatur kompensiert, von einem Strom durchflossen wird, dessen Einwirkung dem Produkt aus dem Elektroly tstrom (J) und dem Unterschied zwischen einer Bezugstem peratur (t) und der jeweilig herrschenden Temperatur (Q des Elektrolyten proportional oder angenähert proportional ist.
Hierdurch wird erreicht, dass die der Temperaturän derung des Elektrolyten entsprechende Aus schlagänderung des Widerstandsmessgerätes nicht nur der Abweichung der jeweiligen Elektrolyttemperatur (t111) von der für die Eichung zugrunde gelegten Bezugstempera tur (to), sondern auch noch dem Elektrolyt- Strom (,T) proportional ist.
Geht zum Beispiel der Elektrolytstrom auf die Hälfte herunter, so sinkt auch die der Temperaturänderung (tue to) des Elektrolyten entsprechende Aus schlagsänderung des Widerstandsmessgerätes auf die Hälfte, wenn diese Temperaturän derung konstant ist. Da die Abhängigkeit der Leitfähigkeit der in der Praxis vorkommenden schwach gesättigten Elektrolyte einem von dem Salz gehalt sehr stark abhängigen linearen Gesetz folgt und der Temperaturkoeffizient von der Konzentration des Elektrolyten praktisch unabhängig ist, so kann die elektrische. Leit fähigkeit der elektrolytischen Lösung durch eine sehr einfache Gleichung dargestellt werden.
Hat der Elektrolyt bei einer be stimmten, der Eichung des Widerstandsmess- gerätes zugrunde liegenden Temperatur (Be zugstemperatur) to den Widerstand R", so ergibt sich der für eine von to abweichende Temperatur (Wirktemperatur) tW ,gültige Widerstand R,v bei den praktisch in Betracht kommenden Temperaturverhältnissen sehr angenähert aus der Gleichung (x = Tempe raturkoeffizient des Elektrolyten):
R, = Ro # [I <I>- x</I> # (t, <I>-</I> to)].
Bleibt beispielsweise die Konzentration des Elektrolyten konstant und steigt seine Tem peratur, so erhöht sich auch seine Leit fähigkeit und täuscht dann infolge der ent sprechend grösseren Einwirkung auf das zur Widerstands- beziehungsweise Leitfähigkeits- messung dienende elektrische Messgerät eine grössere Konzentration vor, als sie in Wirk lichkeit vorhanden ist, wenn man nicht durch irgend eine besondere Massnahme diesen Tem- peratureinfluss berücksichtigt.
Würde man zum Beispiel den Elektrolyten über einen Strommesser von vernachlässigbar kleinem Widerstand an eine künstlich konstant ge haltene Messspannung E anschliessen, so würde im Strommesser ein Strom J fliessen, welcher der jeweiligen Leitfähigkeit 1;R, proportional ist.
Die auf das bewegliche Organ des Strommessers einwirkenden Am perewindungen AW <I>,</I> und somit die Anzeige dieses Instrumentes, würde dann der Jewei ligen Leitfähigkeit 1/R, entsprechen, die nicht nur von der Konzentration, sondern auch von der Temperatur abhängt:
EMI0003.0027
Bei der Einrichtung gemäss der Erfindung bestehen nun die auf das bewegliche Organ des Widerstandsmessgerätes einwirkenden Amperewindungen aus zwei Komponenten ATYi und AW2, die gegeneinander wirken und folgender Gesetzmässigkeit entsprechen AWi-Ci#J und ATY2 <I>=</I> C2 -J-x'-(t" <I>-to)</I> worin Ci, C2 geeignet bemessene Proportionali- tätskonstanten,
in denen die Windungszahlen der wirksamen Spulen oder Spulengruppen enthalten sind, J den Elektrolytstrorxi und x' den zur Kompensation des Elektrolyttempera- turkoeffizienten dienenden Temperaturkoeffi zienten (zum Beispiel eines Widerstands thermometers) bezeichnen.
Die für die An zeige des Messgerätes massgebenden resul tierenden Amperewindungen AIT ergeben sich dann aus der Beziehung:
EMI0003.0049
Da aber J der Leitfähigkeit 1/R, proportional ist, so kann man schreiben:
EMI0003.0051
Sorgt man bei der Ausführung der Mess- einrichtung durch Wahl entsprechender Win- dungszahlen (const. C, const. C2) dafür, dass
EMI0003.0059
wird, so gilt
EMI0003.0060
Die für die Anzeige eines solchen Wider standsrnessgerätes massgebenden resultierenden Amperewindungen A W sind also nur noch der Bezugstemperatur to entsprechenden Leit fähigkeit 1/R, proportional und daher von Schwankungen der Elektrolyttemperatur un abhängig.
In den beigefügten Abbildungen sind als Beispiele zwei der Erfindung entsprechende Einrichtungen schematisch dargestellt, und zwar ist als Widerstandsmessgerät bei dem Beispiel nach Fig. 1 ein Strommesser in Verbindung finit einer künstlich konstant ge haltenen Messspannung vorgesehen, während bei dem in Fig. 2 wiedergegebenen Beispiel ein spannungsunabhängig arbeitender Wech- selstromquotientenmesser (zum Beispiel Dreh eisenquotientenmesser) zur Anwendung ge langt.
In Fig. 1 stellt S die auf das bewegliche Organ des Strommessers M unmittelbar wir keride Messwerkspule (z. B. Drehspule eines fremderregten, eisengeschlossenen Elektrody- namometers) dar, die in die beiden Teilspielen S'1 und 8'2 unterteilt ist. Züi der Spule Si liegt im IVTebenschluss ein Abgleiehwider- stand RN;
sie ist mit dem zu kontrollierenden Elektrolytwiderstand (Elektroden A_ und B) in Reihe geschaltet, so dass sie von einem Bruchteil des Elektrolytstromes J durch flossen wird. Die Amperewindungen AW i der Spule Si sind somit durch die Beziehung <I>A</I> W, = Ci # J gegeben, worin Ci eine die Wendungszahl ZPi enthaltende Proportionali- tätskonstante bedeutet.
Die Spule 82 ist über einen ebenfalls Abgleichszwecken dienenden Vorwiderstand R, mit einer vom Elektrolyt strom J durchflossenen Brückensehaltung verbunden, die aus den der Elektrolytternpe- ratur t" ausgesetzten Widerstandsthermo metern T', T' und aus den konstanten Ver gleichswiderständen R', R" besteht.
Die Amperewindungen r1 W2 der Spule 82 sind somit durch die Beziehung <I>-d</I> W,=C2.J#x'#(t"-to) gegeben, wenn C2 eine die. Wendungszahl W@a enthaltende Proportionalitätskonstante, x' den Temperaturkoeffizienten der zur Temperatur kompensation dienenden Widerstandsthermo meter T, <I>T"</I> und 1o die der Abgleichung und Eichung der Einrichtung zugrunde lie gende Bezugstemperatur bedeuten.
Die für die Anzeige des Strommessers Minassgebenden resultierenden Amper-ewindungen A W der Spule S ergeben sich dann aus der schon weiter oben betrachteten Gleichung:
EMI0004.0061
Daraus folgt, dass mit einer nach dem Bei spiel der Fig. 1 gebauten Messeinrichtung der Erfindungszweck erfüllt ist.
In Fig. 2 sind 81 und 82 die beiden Mess- werkspulen eines zur spannungsunabhängigen Widerstandsmessung geeigneten Quotienten- messers Q, der zum Beispiel als Dreheisen quotientenmesser mit ringförmigem Dreheisen ausgebildet sein kann.
Diese Messwerkspulen sind finit den Sekundärspulen<B>8,11,</B> Sn2 zweier Transformatoren Ti, T2 verbunden, und es sind daher die in den Messwerkspulen Si, 82 fliessenden Ströme Ji, J2 den auf diese Transformatoren einwirkenden, resultierenden Amperewindungen verhältnisgleich.
In diesem Beispiel sind die Spulen Sxt, Sb2 über die festen Vorwiderstände Ri, R2 an die Mess- spannung E angeschlossen, die hier nicht konstant zu sein braucht. Die Amperewin- dungen Sxt und Sx2 sind somit von dem im Elektrolyten fliessenden Strom J vollständig unabhängig.
Die Amperewindunden A W'1, AW"i der vom Elektrolytstrom J durch- flossenen Spulen SUi, sind diesem Strom verhältnisgleich. Die Spulen S'T, S'v bilden mit dem Widerstandsthermometer T' und dem festen Vergleichswiderstand R'v eine Dif ferentialschaltung; ferner bilden die Spulen S"T, S", mit dem Widerstandsthermometer T und dem Vergleichswiderstand R"v eine zweite Differentialschaltung.
Die beiden Differentialschaltungen werden vom Elek- trolytstrom J durchflossen und erzeugen eine sowohl diesem Strom, als auch dem jeweiligen Temperaturunterschied (t\.; - to) proportionale Stromeinwirkung auf die Transformatoren Ti und T2.
Der Wicklungssinn der einzelnen Spulen und Spulengruppen ist in der aus Fig.2 ersichtlichen Weise so gewählt, das bei stei gender Elektrolyttemperatur die von der Differentialschaltung ST, S'v, T, R'v er zeugten Amperewindungen (AIF'2) den Am perewindungen der Spule Smi entgegenwirken.
Das gleiche gilt für die Differentialschaltung S"T, S"v, T", R"v, so dass die von dieser Differentialschaltung erzeugten Amperewin- dungen (A W"2) den Amperewindungen der Spule S#,i2 ebenfalls entgegenwirken.
Ausser dem ist der Wicklungssinn der einzelnen Spulen und Spulengruppen der Transforma toren Ti, T2 so gewählt, dass die Wirkungen der von denselben erzeugten resultierenden Amperewindungen sich in bezug auf ihre Einwirkung auf das bewegliche Organ des Quotientenniessers Q unterstützen, um eine möglichst hohe Empfindlichkeit der Messung und die erforderliche Einstellsicherheit dieses Instrumentes zu gewährleisten.
Für die An zeige des Quotientenmessers Q ist hier auch der Ausdruck -f- AW ".) = A TVi - A W2 = A W massgebend. Die resultierenden Amperewin- dungen A W ergeben sich hier ebenfalls aus der bereits oben genannten und erläuterten Gleichung:
EMI0005.0026
Daraus folgt, dass mit einer nach dem Beispiel der Fig. 2 gebauten Messeinrichtung der Erfindungszweck erfüllt wird.
Die beschriebenen Einrichtungen ermög lichen eine sehr genaue und zuverlässige Durchführung von Elektrolytmessungen, da einerseits das zugrunde liegende Prinzip der Temperaturkompensation theoretisch ein wandfrei ist und da anderseits infolge der günstigen Ausnutzung der zur Verfügung stehender: Messenergie verhältnismässig kraft reiche Messgeräte für die Widerstandsmessung benutzt werden können. Steht eine mit Hilfe bekannter Mittel (zum.
Beispiel Eisendraht lampen oder Spannungskonstanthaltungs- transformatoren) künstlich konstant gehaltene Messspannung zur Verfügung, so genügt als Widerstandsmessgerät ein Strommesser (zum Beispiel Drehspul- oder Dreheisenstrommesser), dessen Messwerkspule in mehrere Spulen oder Spulengruppen unterteilt ist. Benutzt man ein Wechselstrommessgerät, so ergibt sich der Vorteil bei Netzanschluss, dass Gleich richter vermieden werden.
Das Widerstands messgerät kann hier in jedem Falle als Anzeige- oder Schreibgerät oder als Bestand teil einer selbsttätig arbeitenden Regelvor richtung ausgebildet sein.
Die beschriebenen Einrichtungen können für industrielle Messungen (zum Beispiel Bestimmung des Kalkgehaltes von Kessel speisewasser und dergleichen), aber auch für wissenschaftliche Zwecke wertvolle Anwen dung finden.