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Verfahren zur Untersuchung von Stoffgemischen Um in einem Stoffgemisch
den Gehalt an einem bestimmten Bestandteilx zu bestimmen, hat man nach bekannten
Verfahren die Dielektrizitätskonstante .dieses Gemisches gemessnen und mit der.
Dielektrizitätskonstante eines Gemisches verglichen, von dem der Gehalt an dem fraglichen
Stoff x bekannt war.
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So ist beispielsweise der Feuchtigkeitsgehalt von Getreide oder Kohle
und ähnlichen festen Produkten in der Weise gemessen worden, daß man einmal die
Dielektrizitätskonstante der feuchten, gegebenenfalls gepreßten Produkte und dann
die Dielektrizitätskonstante des trockenen Stoffes bestimmte. Die Differenz der
Dielektrizitätskonstanten wurde als Maß für den Feuchtigkeitsgehalt benutzt.
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Dieses Verfahren liefert aber bei den meisten technischen Produkten
ungenaue Werte, weil nicht nur der Gehalt an dem Bestandteil x die Dielektrizitätskonstante
beeinflußt, sondern auch der Anteil aller anderen am Gemisch beteiligten Stoffe.
Da deren Gehalt in gewissen Grenzen schwankt, muß sich von Fall zu Fall die Eichkurve
verschieben, zumal auch die Temperatur und die Struktur des Stoffes - wie besonders
die durch Pressung bedingte Dichte - von ginfluß auf die Dielektrizitätskonstante
sind. Besonders bei großoberflächigen Stoffen ist .infolge der unkontrollierbaren
verschiedenartigen Ausbildung makroskopischer und mikroskopischer Zwischenräume,
die außerdem noch mit Fremdstoffen unbekannter Dielektrizitätskonstante gefüllt
sein können, jede genauere Messung unmöglich.
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Ähnlich verhält es sich bei der Bestimmung des Staub-, Feuchtigkeitsgehalts
o. dgl. von Gasen durch dielekfrische Messung. Hier treten als weitere Fehlerquelle
zu der variablen Zusammensetzung des Gasgemisches noch die Druckschwankungen hinzu,
die das Analysenergebnis fälschen können.
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Die hier geschilderten Verhältnisse liegen bei allen Systemen vor,
die aus mehr als zwei Komponenten bestehen.
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Nach vorliegender Erfindung werden die erwähnten Fehlerquellen nun
dadurch vermieden, daß der zu bestimmende Bestandteil mittels eines Lösungs- oder
Extraktionsmittels von möglichst abweichender Dielektrizitätskonstante aus dem Gemisch
herausgelöst und die Dielektrizitätskonstante dieser Lösung gegenüber der des reinen
Lösungsmittels bestimmt wird.
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Ähnliche Verfahren sind bei der Untersuchung von Stoffen auf Grund
von Messungen der elektrischen Leitfähigkeit bereits bekannt. So ist es zur Bestimmung
des Ammoniakgehalts in Gasgemischen oder Flüssigkeiten' vorgeschlagen worden, das
ammoniakhaltige Medium mit einer Flüssigkeit, wie z. B. verdünnter Schwefelsäure,
zu mischen und die elektrische Leitfähigkeit
des Schwefelsäurestromes
an zwei Stellen, vor und nach der Zumischung bzw. Lösung des Ammoniaks, zu messen.
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Nach dem neuen Verfahren ist also für jeden Stoff x ein spezifisches
Lösungsmittel erforderlich. Es muß die Eigenschaften besitzen, i. den Stoff x zu
lösen, 2. von ihm hinsichtlich der Dielektrizitätskonstante möglichst verschieden
zu sein.
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Die technisch wichtige Anwendung des neuen Verfahrens bei der Feuchtigkeitsbestimmung
verschiedener Produkte, wie z. B. .von Kohle, Sand, Mörtel, Textilrohstoffen und
-waren, Müllereiprodukten, Backwaren, Tabak, Sprengstoffen, Salzen usw., setzt ein
Extraktionsmittel für Wasser voraus, welches auch das durch erhebliche Absorptions-
oder andere Kräfte gebundene Wasser dem Gemisch entzieht. Für diese Zwecke wurden
die niederen Alkohole und besonders Dioxan als brauchbare Lösungsmittel erkannt.
Dioxan hat die besonders günstige Eigenschaft, gegenüber Wasser eine etwa 35mal
kleinere Dielektrizitätskonstante zu besitzen. Daher sind noch sehr kleineWassermengen
in diesem Lösungsmittel zu erfassen.
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Bei der Wasserbestimmung fetthaltiger Stoffe ist das Fett mittels
Benzols zu extrahieren. Die vom Benzol getrennte Substanz, die noch alles Wasser
enthält, behandelt man mit Dioxan, in welchem Wasser löslich ist. Kleine Benzolmenen
stören nicht, da Dioxan die gleiche Dielektrizitätskonstante wie Benzol hat.
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Das Meßverfahren geht also in der Art vor sich, daß eine bestimmte
Stoffmenge mit einer bestimmten Menge des Extraktionsmittels in Berührung gebracht
wird. Nach entsprechender Einwirkung wird das Lösungsmittel, dessen ursprüngliche
@ Dielektrizitätskonstante bekannt ist, auf seine veränderte Dielektrizitätskonstante
untersucht. Die Änderung der Dielektrizitätskonstante ist ein eindeutiges Maß für
den Gehalt an dem Stoff x. Die Beziehung auf die Einwaage liefert den Prozentgehalt
an x.
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Nach dem geschilderten Verfahren sind nach entsprechender Wahl des
Extraktionsmittels auch andere Bestandteile eines Stoffgemisches bestimmbar, wie
Fette, öle, Eiweißstoffe, Harze usw.
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Außer festen und flüssigen Stoffen, die aus mehreren Komponenten zusammengesetzt
sind, können auch gasförmige Systeme nach der neuen Methode analysiert werden, indem
der zu messende Bestandteil in einem vorzugsweise flüssigen Lösungsmittel aufgenommen
und diese Lösung der dielektrischen Messung unterworfen wird. Die Aufnahme der gasförmigen
Bestandteile kann in einem besonderen Gefäß oder auch im Meßkondensator stattfinden.
Auf diese Weise sind feuergefährliche und giftige Gasbestandteile oder technische
Gase analysierbar.
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Bei vielen Prozessen ist eine kontinuierliche Überwachung der Konzentrationsänderung
erforderlich. Diese ist ebenfalls bei festen und flüssigen Stoffgemischen sowie
auch bei Gasen möglich, indem der zu messende Stoff in einem Lösungsmittel aufgenommen
und diese Lösung kontinuierlich durch die Meßeinrichtung geführt wird. Das Lösungsmittel
wird vorübergehend mit dem zu messenden Stoff beladen und nach der Messung in einem
Reinigungsaggregat wieder davon befreit.
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Die Messung der Differenz der Dielektrizitätskonstanten kann zwar
nach irgendeinem der bekannten Verfahren erfolgen, doch ist für den vorliegenden
Zweck die in der Zeichnung Abb. i, z a und i -b dargestellte Ausführungsform besonders
geeignet.
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Das Gerät besteht aus zwei selbständigen Schwingungskreisen I und
II, die zwei gleich große Flüssigkeitskondensatoren Cl und C2 enthalten. Während
der Meßkondensator C2 mit reinem Lösungsmittel gefüllt ist, enthält der Kondensator
C, des anderen Schwingungskreises die zu messendeLösung. Der hierdurch veränderte
Schwingungszustand wird durch die Kompensationskondensatoren Ca und C4 auf die ursprünglichen
Verhältnisse zurückgeführt. Sie können zu den Meßkondensatoren Cl und C2 parallel
- wie in Abb. i a -oder in Reihe - wie in Abb. i b - liegen. Ihre relative Kapazität
bestimmt die Empfindlichkeit der Apparatur. Es ist von Vorteil, je einen Kompensationskondensator
parallel und in Reihe zum Meßkondensator zu legen, wie es in Abb. i angedeutet ist.
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Der bei gleicher Füllung von Cl und C2 bestehende Schwingungszustand
wird als Nullstellung angesehen. Er wird durch einen Empfänger III beliebiger Bauart
-angezeigt. Dieser Empfänger braucht keine selbständige Anlage zu sein, sondern
kann mit einem der beiden Oszillatoren ein unter dem Namen Superheterodyneschaltung
bekanntes zusammengehöriges Stück bilden. Ist der Empfänger III als Telephonempfänger
ausgebildet, so ist die Nullstellung durch Tonlosigkeit ausgezeichnet. Aber selbstverständlich
kann die Nullstellung auch durch irgendein anderes Instrument objektiv angezeigt
oder registriert werden, wie durch Thermoelemente, Vibrationsgalvanometer, Frequenzmesser,
Detektor mit Galvanometer oder Wechselstromvoltmeter. Diese Instrumente können in
gewöhnliche Resonanzkreise eingeschaltet sein oder auch in Kreise, die den vorher
verstärkten Überlagerungseffekt anzuzeigen gestatten. Die im Empfänger aufgenommenen
bzw.
induzierten Ströme können nach entsprechender Verstärkung zu
beliebiger Relaiswirkung herangezogen werden, sei es, daß Registriereinrichtungen,
akustische oder optische Signalgeräte oder auch irgendwelche automatischen Reguliervorrichtungen
zu betätigen sind.
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Für genaue Messungen kann es nötig sein, bei konstanter Temperatur
zu messen. Die beiden Kondensatoren C,. und C2 stehen dann in einem gemeinsamen
Temperaturbad, dessen Füllung aus einem elektrisch gut isolierenden Stoff von niedriger
Dielektrizitätskonstante besteht, damit die Frequenzselbständigkeit der beiden Schwingungskreise
gewahrt bleibt. Um die ganze Anlage gegen Störungen der Umgebung abzuschirmen, werden
die äußeren Belegungen der beiden Meßkondensatoren C1 und C2 über Hochfrequenzwiderstände
mit der Erde verbunden und alle übrigen Teile in einem geerdeten Metallkasten untergebracht.
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Man kann auch den Schwingungskreis II, der als Standardkreis wirkt,
vollständig in den geerdeten Metallkasten einbauen, wenn man den Kondensator C2
ganz aus dem Schwingungskreis herausnimmt oder als Luftkondensator ausbildet. Die
Differenzmessung der Dielektrizitätskonstante wird dann so ausgeführt, daß man den
Meßkondensator Cl. zuerst mit reinem Lösungsmittel füllt, dann beide Schwingungskreise
mittels der Kondensatoren C3 oder C4 auf gleiche Frequenz bringt, hierauf die Füllung
im Meßkondensator C,. gegen die Lösung austauscht und die Differenz der Dielektrizitätskonstanten
der beiden Flüssigkeiten ermittelt. Man arbeitet also zeitlich nacheinander.
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Erreicht die Leitfähigkeit eines Stoffgemisches einen bestimmten Wert,
so kann der Einfluß derselben die Kapazitätsmessung beeinträchtigen. Es ist daher
unter Umständen erforderlich, dieselbe Lösung einer Leitfähigkeitsmessung zu unterwerfen.
Die beiden Belegungen -der Kondensatoren C1 und C2 kann man als Elektroden eines
Leitfähigkeitsgefäßes ansehen und mittels dieser Elektrolytzellen die Leitfähigkeitsmessung
in der gleichen Apparatur vornehmen, indem man die beiden Schwingungskreise I und
II (Abb.2) zur Wechselstromerzeugung, den Empfänger als Wechselstromanzeiger und
die beiden aus den Schwingungskreisen abgeschalteten Kondensatoren C,, und C2 als
zwei Zweigwiderstände einer Meßbrücke schaltet. Als wesentlicher Bestandteil fehlt
nur der Meßdraht M. Dieser wird durch einfache Schalter angeschlossen. Auf diese
Weise kann dieselbe Apparatur sowohl zu Leitfähigkeits- als zu Kapazitätsmessungen
benutzt werden.