DE1299443B

DE1299443B - Device for measuring the hydrogen ion concentration

Info

Publication number: DE1299443B
Application number: DE1963J0024106
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Adelbrecht; Schorcht
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1963-07-19
Filing date: 1963-07-19
Publication date: 1969-07-17

Description

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. The invention relates to a device for measuring the hydrogen ion concentration, consisting of a measuring chain and an amplifier, between which a galvanic capacitor not connected to earth is arranged, which by means of a two-pole Changeover switch either to the electrode or to the input of the Measuring amplifier can be connected in two poles.

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. Electrodes for measuring the hydrogen ion concentration often lead mainly in industrial applications, any measurable potential against Earth. This is generally due to the fact that the vessel in which the Measuring chain is located, e.g. B. a pipeline, in conductive connection with the to be measured Liquid and with earth stands.

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.Between the liquid and the terminal of the measuring electrode there is a pH-dependent voltage as well as between the liquid and the terminal of the reference electrode a pH independent voltage. In addition, there is an electrochemically generated voltage between the grounded vessel wall and the liquid. There can also be tension occur between the vessel wall and earth, as is often the case with galvanic systems the case is. The hydrogen ion concentration or the corresponding pH value can as a voltage difference between the terminals of the measuring and reference electrodes only be measured correctly if not yet in a somehow grounded liquid there is a galvanic connection to earth via the measuring device, because otherwise, through the said voltages cause a current to flow across the reference electrode and over their internal resistance would cause a voltage drop, which as Measurement error appears.

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. It is known to be largely independent of the potential between the measuring chain and earth can be achieved with a galvanic connection of the measuring chain with the measuring device, which is usually equipped with an amplifier, only one only galvanic connection with earth exists. The grounding would in this case only take place via the electrode, so that the measuring device itself does not have a galvanic connection after earth owns. To suppress interference caused by interspersed alternating fields arise, there is a capacitive connection between the measuring device and earth (Fig. 1). This capacitive connection, however, results in rapid and erratic Changes in the potential between earth and electrode to equalizing currents across the Capacitance and the reference electrode, with the finite internal resistance being the Reference electrode generates an interference voltage that affects the measured value (the differential voltage between. Measuring and reference electrode) falsified. Plus, it's difficult to get one to ensure sufficient isolation of the measuring device from earth, in particular if other devices (e.g. additional display instruments or controllers) have a longer cable can be connected.

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. An arrangement is also known in which the measuring device has a Chopper input, a grounded amplifier and an ungrounded phase dependent Has rectification whose output voltage corresponds to the potential of the reference electrode is connected in the opposite direction (FIG. 2). By the chopper, its moving contact is connected to the amplifier input via a coupling capacitance, is connected to the one Fixed contact the measuring electrode potential and to the the other fixed contact is the reference electrode potential, reduced by the output voltage of the measuring device. When the reinforcement is sufficiently high, the amplifier input voltage goes down because of the strong negative feedback towards zero, and the output voltage of the measuring device is very exactly equal to the voltage difference between the measuring and reference electrodes, with the potential between the measuring chain and the earth is eliminated. With this arrangement, the input and the The output circuit must be well insulated from earth, otherwise measurement errors will also occur.

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. It is also known to have one between the electrode and the measuring device to arrange not galvanically connected to earth capacitor, which by means of a two-pole changeover switch either with the electrode or with the one-sided earthed Input of the amplifier connected upstream of the measuring device must be connected in two poles can.

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. With this device, a capacitor charge is used Tension transported to another potential level. The charge remains with this one Transport almost unchanged, if negligibly little during the switchover time Charge can flow away through insulation resistances and if on the other hand the capacitance of the capacitor mentioned is sufficiently large compared to the stray capacitances.

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.This is because the stray capacitances have the full electrode potential to earth when the capacitor is connected to the electrode. When switching the capacitor the latter also receives the charge of the stray capacities; the voltage to be measured the capacitor is changed accordingly.

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. The invention sets itself the task of this through the stray capacitances to avoid the disadvantages caused by the switchable capacitor. At an establishment for measuring the hydrogen ion concentration of the type described, this is done according to the invention achieved in that a single pole changeover switch and another in connection with this A standing capacitor is provided, one of which is assigned to the grounded input terminal of the measuring amplifier is connected and its other assignment by the single-pole Changeover switch either to the second input terminal of the measuring amplifier or to the this terminal associated fixed contact of the two-pole changeover switch is switchable.

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. By applying the invention it is possible to reduce the influence of the To reduce stray capacitances to about t / lo, so that the measurement accuracy is essential can be increased.

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. For a more detailed explanation of the subject matter of the invention, FIGS. 1 to 5, - of which Figs. 1 to 3 already known arrangements for measuring the Show hydrogen ion concentration, while on the basis of F i g. 4 and 5 two exemplary embodiments the device according to the invention are explained in more detail.

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. In Fig. 1 is the liquid to be measured 1 in one Containing vessel 2 consists of a measuring electrode 3 and a reference electrode 4 Measuring chain. The vessel 2 is at a potential represented by a battery 5 against earth. The terminals of the measuring electrode 3 and the reference electrode 4 are with the Input terminals of an amplifier 6 connected, which together with a display instrument 7 forms the measuring device. For derivation of interference from stray voltages the measuring amplifier 6 is connected to earth via a capacitor 8.

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. In the case of the in FIG. 2 shown known arrangement in which the the F i g. 1 corresponding parts are provided with the same reference numerals, the input of the amplifier 6 is single-pole grounded. The other input terminal of the Amplifier is via a coupling capacitor9 with the moving part of a Chopper contact 10 connected, the fixed parts of which with the measuring electrode 3 and the one output terminal of the amplifier 6 are in communication. The other The output terminal of the amplifier is connected to the reference electrode 4, so that in the one position of the chopper contact 10 the potential of the measuring electrode 3 and in the other position the potential of the reference electrode 4 reduced by the output voltage of the measuring amplifier 6 is connected to the coupling capacitor 9.

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. Fig. 3 shows a further known embodiment of a device for measuring the hydrogen ion concentration. Between the electrodes 3 and 4 existing measuring chain and the amplifier 6 of the measuring device is a galvanic one Not connected to earth capacitor 11 arranged, which by means of a two-pole Changeover switch 12, 12 'alternating with the electrode 3, 4 and with the one-sided grounded Input of the amplifier 6 can be connected.

Es ist vorteilhaft, die Umschaltung des Kondensators 11 periodisch erfolgen zu lassen. It is advantageous to switch the capacitor 11 periodically to be done.

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. The voltage across the capacitor can be determined using methods known per se be measured. If necessary, additional storage facilities or similar facilities are required be provided so that the display value at the output of the measuring device 7 during a Switching period of the input circuit is retained.

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.As a memory element, for. B. another capacitor in the input circuit that is constantly connected to the measuring device input, and that of the switchable Capacitor is charging.

Gleichspannungsverstärker können direkt an diesen Speicherkondensator angeschaltet werden. DC voltage amplifiers can be connected directly to this storage capacitor be switched on.

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. Chopper amplifiers can be operated without a storage capacitor, when the input circuit according to FIG. 3 is used as a chopper by periodically acts on a high input resistance of the AC amplifier. The reinforcement and the phase-dependent rectification can take place in the usual way. This circuit is simple, but has the disadvantage that the high input resistance of the amplifier is open when the switchable capacitor 11 is not at the amplifier input so that the amplifier is sensitive to interference. Is the amplifier input not so high resistance, the switchable capacitor 11 is discharged when it at the amplifier input. The voltage source to be measured (the electrode 3, 4) a corresponding current is then drawn which is proportional to the size of the capacitor 11 is. The capacitance of this capacitor 11 must therefore be kept as small as possible but this again leads to difficulties because of the aforementioned stray capacities can lead.

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. These difficulties can be overcome by one constructed in accordance with the invention Circuit according to FIG. 4 can be reduced. Two switching stages are provided here, namely the already mentioned ratio moderately large switchable capacitor 11 as a first switching stage and another switchable by means of a single-pole switch 13 Capacitor 14 with a small capacity as a second switching stage. The two-pole switchable Capacitor 11 again causes the potential jump with a small dependence on stray capacitances. The single-pole switchable capacitor 14 receives its charge from capacitor II a storage capacitor 15, but is due to its small capacitance when discharging only a small consumer for the electrode 3, 4. The two changeover switches 12, 12 'and 13 expediently run synchronously. The storage capacitor is 15 necessary if the changeover switches work in phase, d. i.e. when the two-pole changeover switch 12, 12 'is on the electrode 3, 4, while the single-pole changeover switch 13 is not on Input of the amplifier 6 is located. If the changeover switches switch out of phase, i. H., when the two-pole changeover switch 12, 12 'is on the electrode 3, 4, while the single-pole Changeover switch 13 is at the amplifier input, brings the storage capacitor 15 at the two switches do not work exactly at the same time.

Diese Variation der zweistufigen Eingangsschaltung ergibt sich bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 5. This variation of the two-stage input circuit results from the embodiment according to FIG. 5.

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.In this case, the capacitor 14 is not in the second switching stage firmly to ground, but in series with the input resistance of amplifier 6. The other Occupancy of the capacitor 14 can either by using the single-pole changeover switch 13 the storage capacitor 15 or connected to ground.

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. A negative feedback or compensation voltage can be advantageous between the grounded input terminal of amplifier 6 and the associated terminal 12 'of the double-pole changeover switch 12, 12', which without this negative feedback voltage would be connected to the grounded input terminal of the amplifier 6.

Claims

Claims: 1. Device for measuring the hydrogen ion concentration, consisting of a measuring chain and an amplifier, between which a galvanic capacitor not connected to earth is arranged, which by means of a two-pole Changeover switch either to the electrode or to the input of the The measuring amplifier can be connected in two poles, because it is identified by the fact that a single pole changeover switch (13) and another one connected to it Capacitor (14) is provided, one of which is assigned to the grounded input terminal of the measuring amplifier (6) is connected and its other assignment by the single-pole Changeover switch (13) either to the second input terminal of the measuring amplifier (6) or to the fixed contact of the two-pole changeover switch (12, 12 ') is switchable.

2. Device according to claim 1, characterized in that the one Allocation of the capacitor (14) to the second input terminal of the measuring amplifier (6) is connected and that the other assignment of the capacitor (14) by the unipolar Changeover switch (13) optionally on the fixed contact of the assigned to this terminal bipolar Changeover switch (12, 12 ') or to the grounded input terminal can be switched.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the single-pole changeover switch (13) synchronously with the two-pole changeover switch (12, 12 ') switches.