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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen der Wasserstoffionenkonzentration,
bestehend aus einer Meßkette und einem Verstärker, zwischen denen ein galvanisch
nicht mit Erde verbundener Kondensator angeordnet ist, der mittels eines zweipoligen
Umschalters wahlweise an die Meßkette oder an den einseitig geerdeten Eingang des
Meßverstärkers zweipolig anschließbar ist.
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Meßketten zum Messen der Wasserstoffionenkonzentration führen oft,
hauptsächlich bei industriellen Anwendungen, irgendein meßbares Potential gegen
Erde. Dies hat seine Ursache im allgemeinen darin, daß das Gefäß, in dem sich die
Meßkette befindet, z. B. eine Rohrleitung, in leitender Verbindung mit der zu messenden
Flüssigkeit und mit Erde steht.
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Zwischen der Flüssigkeit und der Klemme der Meßelektrode besteht eine
pH-abhängige Spannung sowie zwischen der Flüssigkeit und der Klemme der Bezugselektrode
eine pH-unabhängige Spannung. Hinzu kommt noch eine elektrochemisch gebildete Spannung
zwischen der geerdeten Gefäßwand und der Flüssigkeit. Außerdem können noch Spannungen
zwischen der Gefäßwand und Erde auftreten, wie dies häufig bei galvanischen Anlagen
der Fall ist. Die Wasserstoffionenkonzentration oder der entsprechende pH-Wert kann
als Spannungsdifferenz zwischen den Klemmen der Meß- und der Bezugselektrode nur
richtig gemessen werden, wenn bei einer irgendwie geerdeten Flüssigkeit nicht noch
eine galvanische Verbindung nach Erde über das Meßgerät existiert, weil sonst, durch
die genannten Spannungen verursacht, ein Strom über die Bezugselektrode fließen
und über deren Innenwiderstand einen Spannungsabfall verursachen würde, der als
Meßfehler in Erscheinung tritt.
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Es ist bekannt, eine weitgehende Unabhängigkeit von dem Potential
zwischen Meßkette und Erde dadurch zu erreichen, daß bei einer galvanischen Verbindung
der Meßkette mit dem meist mit einem Verstärker ausgerüsteten Meßgerät nur eine
einzige galvanische Verbindung mit Erde existiert. Die Erdung würde in diesem Fall
nur über die Meßkette erfolgen, so daß das Meßgerät selbst keine galvanische Verbindung
nach Erde besitzt. Zur Unterdrückung von Störungen, die durch eingestreute Wechselfelder
entstehen, ist eine kapazitive Verbindung zwischen dem Meßgerät und der Erde vorhanden
(Fig. 1). Diese kapazitive Verbindung führt jedoch bei schnellen und sprunghaften
Änderungen des Potentials zwischen Erde und Meßkette zu Ausgleichströmen über die
Kapazität und die Bezugselektrode, wobei über dem endlichen Innenwiderstand der
Bezugselektrode eine Störspannung entsteht, die den Meßwert (die Differenzspannung
zwischen. Meß- und Bezugselektrode) verfälscht. Außerdem ist es schwierig, eine
genügend gute Isolation des Meßgerätes gegen Erde sicherzustellen, insbesondere
dann, wenn weitere Geräte (z. B. weitere Anzeigeinstrumente oder Regler) über eine
längere Leitung angeschlossen werden.
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Es ist weiterhin eine Anordnung bekannt, bei der das Meßgerät einen
Zerhackereingang, einen geerdeten Verstärker und eine nicht geerdete phasenabhängige
Gleichrichtung besitzt, deren Ausgangsspannung dem Potential der Bezugselektrode
entgegengeschaltet ist (F i g. 2). Bei dem Zerhacker, dessen beweglicher Kontakt
über eine Koppelkapazität mit dem Verstärkereingang verbunden ist, wird an den einen
Festkontakt das Meßelektrodenpotential und an den
anderen Festkontakt das Bezugselektrodenpotential,
vermindert um die Ausgangsspannung des Meßgerät tes, gelegt. Wenn die Verstärkung
genügend hoch ist, geht die Verstärkereingangsspannung wegen der starken Gegenkopplung
gegen Null, und die Ausgangsspannung des Meßgerätes ist sehr genau gleich der Spannungsdifferenz
zwischen der Meß- und der Bezugselektrode, wobei das Potential zwischen der Meßkette
und der Erde eliminiert wird. Bei dieser Anordnung müssen der Eingangs- und der
Ausgangskreis gut gegen Erde isoliert sein, da sonst gleichfalls Meßfehler entstehen.
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Ferner ist bekannt, zwischen der Meßkette und dem Meßgerät einen
galvanisch nicht mit Erde verbundenen Kondensator anzuordnen, der mittels eines
zweipoligen Umschalters wahlweise mit der Meßkette oder mit dem einseitig geerdeten
Eingang des dem Meßgerät vorgeschalteten Verstärkers zweipolig verbunden werden
kann.
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Bei dieser Einrichtung wird mit Hilfe einer Kondensatorladung eine
Spannung in ein anderes Potentialniveau transportiert. Die Ladung bleibt bei diesem
Transport nahezu unverändert, wenn während der Umschaltzeit vernachlässigbar wenig
Ladung durch Isolationswiderstände abfließen kann und wenn zum anderen die Kapazität
des genannten Kondensators genügend groß gegenüber den Streukapazitäten ist.
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Die Streukapazitäten besitzen nämlich das volle Meßkettenpotential
gegen Erde, wenn der Kondensator an der Meßkette liegt. Beim Umschalten des Kondensators
erhält dieser zusätzlich die Ladung der Streukapazitäten; die zu messende Spannung
am Kondensator wird also entsprechend verändert.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, diese durch die Streukapazitäten
des umschaltbaren Kondensators verursachten Nachteile zu vermeiden. Bei einer Einrichtung
zum Messen der Wasserstoffionenkonzentration der beschriebenen Art wird dies erfindungsgemäß
dadurch erreicht, daß ein einpoliger Umschalter und ein weiterer mit diesem in Verbindung
stehender Kondensator vorgesehen ist, dessen eine Belegung mit der geerdeten Eingangsklemme
des Meßverstärkers verbunden ist und dessen andere Belegung durch den einpoligen
Umschalter wahlweise auf die zweite Eingangsklemme des Meßverstärkers oder auf den
dieser Klemme zugeordneten Festkontakt des zweipoligen Umschalters umschaltbar ist.
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Durch die Anwendung der Erfindung ist es möglich, den Einfluß der
Streukapazitäten auf etwa t/lo zu verkleinern, so daß die Meßgenauigkeit wesentlich
erhöht werden kann.
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Zur näheren Erläuterung des Erfindungsgegenstandes dienen die Fig.
1 bis 5, - von denen die Fig. 1 bis 3 bereits bekannte Anordnungen zum Messen der
Wasserstoffionenkonzentration zeigen, während an Hand der F i g. 4 und 5 zwei Ausführungsbeispiele
der Einrichtung gemäß der Erfindung näher erläutert sind.
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In F i g. 1 befindet sich in einem die zu messende Flüssigkeit 1
enthaltenden Gefäß 2 eine aus einer Meßelektrode 3 und einer Bezugselektrode 4 bestehende
Meßkette. Das Gefäß 2 liegt auf einem durch eine Batterie 5 dargestellten Potential
gegen Erde. Die Klemmen der Meßelektrode 3 und der Bezugselektrode 4 sind mit den
Eingangsklemmen eines Verstärkers 6 verbunden, der zusammen mit einem Anzeigeinstrument
7 das Meßgerät bildet. Zur Ableitung
von Störungen durch Streuspannungen
ist der Meßverstärker 6 über einen Kondensator 8 mit Erde verbunden.
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Bei der in F i g. 2 dargestellten bekannten Anordnung, in der die
der F i g. 1 entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind,
ist der Eingang des Verstärkers 6 einpolig geerdet. Die andere Eingangsklemme des
Verstärkers ist über einen Kopplungskondensator9 mit dem beweglichen Teil eines
Zerhackerkontakts 10 verbunden, dessen feststehende Teile mit der Meßelektrode 3
und der einen Ausgangsklemme des Verstärkers 6 in Verbindung stehen. Die andere
Ausgangsklemme des Verstärkers ist mit der Bezugselektrode 4 verbunden, so daß in
der einen Stellung des Zerhackerkontakts 10 das Potential der Meßelektrode3 und
in der anderen Stellung das Potential der Bezugselektrode 4 vermindert um die Ausgangsspannung
des Meßverstärkers 6 am Kopplungskondensator 9 liegt.
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Fig. 3 zeigt eine weitere bekannte Ausführungsform einer Einrichtung
zum Messen der Wasserstoffionenkonzentration. Zwischen der aus den Elektroden 3
und 4 bestehenden Meßkette und dem Verstärker 6 des Meßgerätes ist hierbei ein galvanisch
nicht mit Erde verbundener Kondensator 11 angeordnet, der mittels eines zweipoligen
Umschalters 12, 12' abwechselnd mit der Meßkette 3, 4 und mit dem einseitig geerdeten
Eingang des Verstärkers 6 verbunden werden kann.
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Es ist vorteilhaft, die Umschaltung des Kondensators 11 periodisch
erfolgen zu lassen.
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Die Spannung am Kondensatorll kann mit an sich bekannten Methoden
gemessen werden. Gegebenenfalls müssen zusätzlich Speicher oder ähnliche Einrichtungen
vorgesehen werden, damit der Anzeigewert am Ausgang des Meßgerätes 7 während einer
Schaltperiode der Eingangsschaltung erhalten bleibt.
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Als Speicherglied kann z. B. ein weiterer Kondensator in der Eingangsschaltung
dienen, der ständig mit dem Meßgeräteeingang verbunden ist, und der vom umschaltbaren
Kondensator aufgeladen wird.
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Gleichspannungsverstärker können direkt an diesen Speicherkondensator
angeschaltet werden.
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Zerhackerverstärker können ohne Speicherkondensator betrieben werden,
wenn die Eingangsschaltung nach F i g. 3 als Zerhacker benutzt wird, indem sie periodisch
auf einen hohen Eingangswiderstand des Wechselspannungsverstärkers wirkt. Die Verstärkung
und die phasenabhängige Wiedergleichrichtung kann dabei in üblicher Weise erfolgen.
Diese Schaltung ist einfach, hat aber den Nachteil, daß der hohe Eingangswiderstand
des Verstärkers offen ist, wenn der umschaltbare Kondensator 11 nicht am Verstärkereingang
liegt, so daß der Verstärker dadurch störempfindlich wird. Ist der Verstärkereingang
nicht so hochohmig, so wird der umschaltbare Kondensator 11 entladen, wenn dieser
am Verstärkereingang liegt. Der zu messenden Spannungsquelle (der Meßkette 3, 4)
wird dann ein entsprechender Strom entnommen, der proportional der Größe des Kondensators
11 ist. Die Kapazität dieses Kondensators 11 muß demnach möglichst klein gehalten
werden, was aber wieder zu Schwierigkeiten wegen der vorerwähnten Streukapazitäten
führen kann.
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Diese Schwierigkeiten können durch eine gemäß der Erfindung ausgebildete
Schaltung nach Fig. 4 vermindert werden. Hierbei sind zwei Schaltstufen vorgesehen,
nämlich der bereits erwähnte verhältnis-
mäßig große umschaltbare Kondensator 11
als erste Schaltstufe und ein weiterer mittels eines einpoligen Schalters 13 umschaltbarer
Kondensatorl4 mit kleiner Kapazität als zweite Schaltstufe. Der zweipolig umschaltbare
Kondensator 11 bewirkt wieder den Potentialsprung bei kleiner Abhängigkeit von Streukapazitäten.
Der einpolig umschaltbare Kondensator 14 erhält seine Ladung vom Kondensatorll über
einen Speicherkondensator 15, stellt aber durch seine kleine Kapazität bei der Entladung
nur einen geringen Verbraucher für die Meßkette 3, 4 dar. Die beiden Umschalter
12, 12' und 13 laufen zweckmäßig synchron. Dabei ist der Speicherkondensator 15
nötig, wenn die Umschalter gleichphasig arbeiten, d. h., wenn der zweipolige Umschalter
12, 12' an der Meßkette 3, 4 liegt, während der einpolige Umschalter 13 nicht am
Eingang des Verstärkers 6 liegt. Wenn die Umschalter gegenphasig schalten, d. h.,
wenn der zweipolige Umschalter 12, 12' an der Meßkette 3, 4 liegt, während der einpolige
Umschalter 13 am Verstärkereingang liegt, bringt der Speicherkondensator 15 bei
nicht genau gleichzeitigem Arbeiten der beiden Schalter Vorteile.
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Diese Variation der zweistufigen Eingangsschaltung ergibt sich bei
dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 5.
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Hierbei liegt in der zweiten Schaltstufe der Kondensator 14 nicht
fest an Masse, sondern in Reihe zum Eingangswiderstand des Verstärkers 6. Die andere
Belegung des Kondensators 14 kann durch den einpoligen Umschalter 13 entweder mit
dem Speicherkondensator 15 oder mit Masse verbunden werden.
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Eine Gegenkopplungs- oder Kompensationsspannung kann vorteilhaft
zwischen der geerdeten Eingangsklemme des Verstärkers 6 und der zugeordneten Klemme
12' des doppelpoligen Umschaltersl2, 12', die ohne diese Gegenkopplungsspannung
mit der geerdeten Eingangsklemme des Verstärkers 6 verbunden wäre, eingeführt werden.