DE1058146B

DE1058146B - Vorrichtung zur Messung des Quotienten aus zwei Widerstaenden

Info

Publication number: DE1058146B
Application number: DEN15103A
Authority: DE
Inventors: Pieter Geert Kuipers
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1957-05-22
Filing date: 1958-05-20
Publication date: 1959-05-27

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßvorrichtung, bei der eine zu messendeGröße inForm einer Widerstandsr änderung auftritt und der Quotient dieses Widerstandes und eines anderen Widerstandes gemessen wird, derart, daß der erste Widerstand in Reihe mit einer Hüfswechselspannungsqueüe zwischen den Eingangsklemmen eines Verstärkers mit Gegenkopplung liegt, dessen Ausgangsspannung, gegebenenfalls nach weiterer Verstärkung, gemessen wird.

Die Erfindung zielt auf eine derartige Vorrichtung ab, bei der die Skala des Meßinstrumentes linear in bezug auf die Leitfähigkeit des Widerstandselementes im Eingangskreis ist.

Die Erfindung bezweckt weiter, die Vorrichtung für eine Vielzahl von Meßbereichen geeignet zu machen, wobei die Linearität in sämtlichen Meßbereichen aufrechterhalten bleibt.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstand in Reihe mit einer Impedanz, über der sich die Ausgangsspannung oder eine proportionale Spannung ergibt, in dem zwischen die Eingangsklemmen des Verstärkers geschalteten Rückkopplungskreis liegt.

Um die Einwirkung von Streukapazitäten und Ableitwiderständen zu beseitigen, werden die zuerst erwähnten Widerstände bzw. Leitfähigkeiten auf besondere Weise angebracht, und zwar besteht vorzugsweise der Ausgangskreis aus einer Selbstinduktionsspule, auf die die Meßwechselspannung induktiv übertragen wird, und dem ersten Widerstand und der Rückkopplungskreis aus einer mit dem Eingangskreis induktiv gekoppelten zweiten Selbstinduktion und dem zweiten Widerstand, wobei die Widerstände an den von den erwähnten Selbstinduktionen abgewendeten Enden mit einem Punkt konstanten Potentials (Erde) verbunden sind.

Vorzugsweise finden zum Zuführen der Meßwechselspannung und zum Ableiten des zu messenden Stromes doppelt abgeschirmte Transformatoren Verwendung, wobei einer der Schirme jedes Transformators unmittelbar mit Erde und der andere mit der Eingangselektrode des Verstärkers verbunden ist.

Zur Umschaltung des Meßbereichs wird der zweite Widerstand austauschbar ausgeführt.

Überdies gibt die Erfindung eine Vorrichtung an, die sich zum Messen der spezifischen Leitfähigkeit von Elektrolyten eignet. Wenn hierbei der zweite Widerstand aus einer sogenannten Bezugszeüe besteht, d. h. einer Meßzelle, die mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, deren Eigenschaften denjenigen der zu messenden Flüssigkeit entsprechen und die den gleichen Verhältnissen hinsichtlich der Temperatur ausgesetzt ist, ergibt sich ein selbsttätiger Temperaturausgleich.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Vorrichtung zur Messung des Quotienten aus zwei Widerständen

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dr. rer. nat P. Roßbach, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 22. Mai 1957 und 19. Februar 1958

Pieter Geert Kuipers, Eindhoven (Niederlande),
ist als Erfinder genannt worden

Fig. 1 zeigt die Schaltungsanordnung einer Ausführungsform,

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild,

Fig. 3 die Anordnung zweier Zellen, während
Fig. 4, 5 und 6 weitere Äusführungsformen darstellen. An die Klemmen 1 wird "ein Oszillator angeschlossen, der eine Meßspannung liefert, deren Frequenz beispielsweise 80 bis 1000 Hz "betragen kann. Mit Hilfe des Transformators Tl mit den Wicklungen 2 und 3 und den Schirmen 4 und 5 wird die Meßspannung auf den Eingangskreis eines Verstärkefs Vl übertragen. Der Έΐη-gangskreis des Verstärkers enthalt weiter ein Element mit einem Widerstand 1/Z₁ in Reihe mit der Wicklung 3! Der Verstärker kann beispielsweise als Endstufe eine Gegentaktstufe enthalten, die an die Primärwicklung 6 des Transformators Γ2 angeschlossen ist. Dieser Transformator hat zwei Sekundärwicklungen, von denen eine Wicklung 7 mit Hilfe der Schirme 8 und 9 gegen die Primärwicklung doppelt abgeschirmt ist. Diese Wicklung? dient zur Gegenkopplung und ist in Reihe mit einem Element mit einem Widerstand-l/Z^ zwischen die Eingangsklemmen des Verstärkers Vl geschaltet. Die zweite Sekundärwicklung 10 ist mit einem zweiten Verstärker V2 verbunden, dessen Ausgangsstrom mit Hufe einer Graetzschaltung gleichgerichtet wird. Der erzielte Gleichstrom wird mit dem Gleichstrominstrument 11 gemessen.

Aus der Zeichnung geht hervor, daß die Widerstände 1/JT₁ und l/if₂ derart geschaltet sind, daß ihr gemeinsamer Punkt geerdet werden kann. Auf diese Weise werden kapazitive Einflüsse möglichst beseitigt. Diesem Zweck dienen auch die Abschirmungen 4, 5 und 8, 9, von

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denen bei jedem Transformator die eine mit Erde und die andere mit der Eingangselektrode des Verstärkers verbunden ist.

Die Wirkungsweise der Schaltung kann an Hand der vereinfachten Schaltungsanordnung nach Fig. 2 erläutert werden. Die Eingangsspannung kann durch -

dargestellt werden. Weiter ist

— με

:■ . Manchmal ist- es erwünscht, die Differenz zweier Leitfähigkeiten zu "messen. Hierbei kann die Schaltungsanordnung nach Fig. 4 Verwendung finden, bei der die Sekundärwicklung des Eingangstransformators eine Mittelanzapfung'aufweist und den beiden Meßzellen in entgegengesetzter · Phase Spannung zugeführt wird. Die Eingangsspannung des Verstärkers ist proportional der Differenz der beiden die Zellen durchfließenden Ströme. Für die Ausgangsspannung gilt hierbei:

K₁
_. Hieraus folgt, daß

Wenn

dann wird

oder.

E =

"K₁'

i_ J_V.

K₁ * K_x ~ ~K~x ^{(1 +}

K₁

und ί = E · K₁. Nun ist

K₁
-

wobei 6₀ die Ausgangsspannung ist. Also:
i i i i

'κ~₁~^β°^Ύ₁ ⁺Ύ₂ "*" ^e° ⁼ ~Ύ₂ ⁼" K₂

Die Ausgangsspannung hängt also linear von der Leitfähigkeit K₁ ab,

-Auf diese Weise kann die Leitfähigkeit K₁ bestimmt werden, wenn K₂ eine bekannte Leitfähigkeit ist. Dadurch, daß man für K_% eine Anzahl auswechselbarer Elemente nimmt, ist eine Reihe von Meßbereichen erzielbar, wobei die Anzeige in sämtlichen Bereichen linear mit der Leitfähigkeit K₁ ist.

Die beschriebene Vorrichtung eignet sich insbesondere zum Messen der Leitfähigkeit von Elektrolyten mit Temperaturausgleich. In diesem Falle nimmt man für die Leitfähigkeit K_% diejenige einer Bezugszelle, d. h. einer Leitfähigkeitszelle mit den gleichen Eigenschaften wie die für K₁ verwendete Zelle, die sich in der Flüssigkeit befindet, deren spezifische Leitfähigkeit z. B. während eines gewissen Zeitraumes registriert werden soll. Die an der Stelle von K₂ angeordnete Zelle wird mit Flüssigkeit von der gleichen Art wie die zu messende Flüssigkeit gefüllt und befindet sich in den gleichen Temperaturverhältnissen, beispielsweise unmittelbar neben der Zelle K₁, in der zu messenden Flüssigkeit, selbstverständlich jedoch von dieser Flüssigkeit getrennt. Diese Anordnung der Zellen in einer Flüssigkeitsleitung ist in Fig. 3 dargestellt. Die Bezugszelle befindet sich in bezug auf die Strömungsrichtung vor der Meßzelle, so daß die Zeitverzögerung für die erstere möglichst gering ist.

Es kann angenommen werden, daß die Temperaturen der beiden Zellen und auch die Widerstandskoeffizienten der Leitfähigkeiten stets nahezu die gleichen sind. Der Faktor 1 -j- at (α = der Temperaturkoeffizient der Leitfähigkeit und t = Celsiustemperatur), der die Änderung der Leitfähigkeit mit der Temperatur angibt, wird auf diese Weise beseitigt.

Oie Fig. 5 und 6 zeigen abgeänderte Vorrichtungen, bei denen die Abschirmung einfacher ausgebildet werden kann.

. In Fig. 5 besteht die Sekundärwicklung des Transformators T₁ aus zwei gleichen Teilen 3 und 3'. Die Mittelanzapfung ist mit Erde verbunden. Die Sekundärtransformatorwicklung bildet zusammen mit der Wicklung 12 und den Widerständen 1/Z₁ und 1/Jf₂ einen geschlossenen Kreis. Die Wicklung 12 ist mit der Wicklung 13 gekoppelt, die zwischen der nicht geerdeten Aus^ gangsklemme des Verstärkers F₁ und Erde liegt. Der gemeinsame Punkt der Widerstände ist mit der nicht ge-. erdeten Eingangsklemme des Verstärkers verbunden.

Die Ausgangsspannung wird den Klemmen 14 entnommen und. beispielsweise nach Gleichrichtung gemessen.

Eine einfache Berechnung lehrt, daß die Ausgangsspannung durch die Beziehung

gegeben wird, wenn wenigstens das Produkt aus dem ersten Widerstand und dem Verstärkungsfaktor groß gegen die Summe der .zwei Widerstände ist.

Es besteht auch hier eine lineare Beziehung zwischen der Leitfähigkeit der Meßzelle und der Ausgangsspannung, wenn die Eingangsspannung konstant gehalten wird. Weil die Sekundärwicklung des ersten Transformators T₁ und die Primärwicklung des zweiten Transformators T₂ beide mit Erde verbunden sind, brauchen keine Abschirmungen zwischen den Wicklungen angewandt zu werden.

Im allgemeinen sind die Zellen über Kabel in die dargestellte Brückenschaltung geschaltet. Die Kabelkapazitäten haben jedoch geringe Einwirkung auf die Messung, weil die Innenwiderstände der Sekundärtransformatorwicklungen sehr niedrig sind.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine noch bessere Linearität erzielbar ist. Hierbei besteht die Sekundärwicklung des Rückkopplungstransformators aus zwei Teilen 12 und 12', wobei die Windungszahl des ersten Teiles etwa das Vierfache derjenigen des zweiten Teiles ist. Die Reihenschaltung der Widerstände ist mit dem gemeinsamen Punkt verbunden. Die Verstärkung ist geringer als im vorstehenden Falle.
Die geschilderten Schaltungen eignen sich sehr gut zur konduktometrischen Titierung, in welchem Falle die beiden Widerstände etwa gleiche Werte aufweisen. Die Spannung an der Primärwicklung 13 des Transformators T₂ ist gegeben durch:

[η = Übersetzungsverhältnis).

Die Empfindlichkeit des Röhrenvoltmessers, mittels dessen diese Spannung gemessen wird, ist verhältnis-

Claims

mäßig hoch, so daß kleine Änderungen von KJK1 sichtbar gemacht werden können. Patentansprüche:

1. Meßvorrichtung, bei der eine zu messende Größe in Form der Änderung eines Widerstandes auftritt und der Quotient dieses Widerstandes und eines anderen Widerstandes gemessen wird, derart, daß der erste Widerstand in Reihe mit einer Hüfswechsel-Spannungsquelle zwischen den Eingangsklemmen eines Verstärkers mit Gegenkopplung Hegt, dessen Ausgangsspannung, gegebenenfalls nach weiterer Verstärkung, gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstand in Reihe mit einer Impedanz, über der sich die Ausgangsspannung ergibt, in dem zwischen die Eingangsklemmen des Verstärkers geschalteten Rückkopplungskreis hegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangskreis des Verstärkers aus einer Selbstinduktionsspule, der die Meßwechselspannung induktiv zugeführt wird, und dem ersten Widerstand besteht, während der Rückkopplungskreis aus einer mit dem Ausgangskreis des Verstärkers induktiv gekoppelten zweiten Selbstinduktion und dem zweiten Widerstand besteht, und daß die Widerstände an den von den erwähnten Selbstinduktionen abgewendeten Enden mit einem Punkt konstanten Potentials verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformatoren eine doppelte Abschirmung aufweisen, derart, daß einer der Schirme eines jeden Transformators mit einem Punkt konstanten Potentials und der andere mit einer Eingangsklemme des Verstärkers verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstand austauschbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Messen von Leitfähigkeiten von Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstand aus einer Leitfähigkeitszelle besteht, die mit einer Flüssigkeit mit den gleichen Eigenschaften wie die zu messende Flüssigkeit gefüllt und den gleichen Temperaturbedingungen ausgesetzt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfähigkeitszelle unmittelbar neben der in die zu messende Flüssigkeit eingetauchten Leitfähigkeitszelle angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Eingangskreis des Verstärkers eine Anzahl Meßzellen geschaltet sind, die von dem gleichen Strom durchflossen werden, derart, daß die sich über ihnen ergebenden Spannungen im entgegengesetzten Sinne im Eingangskreis des Verstärkers wirksam sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwechselspannung einem Transformator zugeführt wird, dessen Sekundärwicklung eine Mittelanzapfung aufweist, die mit einem Punkt konstanten Potentials verbunden ist, und daß die beiden Widerstände in Reihe mit der Sekundärwicklung verbunden sind, unter Zwischenschaltung einer Impedanz, an der sich die Ausgangsspannung ergibt, und daß der gemeinsame Punkt der Widerstände mit der Eingangselektrode des Verstärkers verbunden ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen