DE10012938C2 - Anordnung zur Messung der lokalen elektrischen Leitfähigkeit und Temperatur in Fluiden - Google Patents
Anordnung zur Messung der lokalen elektrischen Leitfähigkeit und Temperatur in FluidenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Mes
sung der lokalen elektrischen Leitfähigkeit und der lokalen
Temperatur in Flüssigkeiten bzw. mehrphasigen Medien mit
beliebiger Strömungsrichtung. Insbesondere ist der Einsatz
in der Verfahrens- und Kraftwerkstechnik gegeben, wo die
Leitfähigkeitsverteilung und die lokale Temperatur be
stimmt werden sollen. Die gemessene, meist temperaturab
hängige elektrische Leitfähigkeit, die vorwiegend als Maß
für weitere physikalische oder chemische Eigenschaften
(z. B. volumetrischer Gasanteil, Konzentration, Stoffart
usw.) der Flüssigkeit oder als Indikator für Phasenverteilung
über einen Messquerschnitt eines Mehrphasenmediums
dient, soll durch die ortsnahe Temperaturmessung korrigiert
werden.
Für die Bestimmung der Eigenschaften von Flüs
sigkeiten und Mehrphasengemischen, z. B. der Konzentrati
onsverteilung, wird verbreitet die Messung der elektrischen
Leitfähigkeit verwendet. Dazu bringt man sowohl bei La
boreinrichtungen als auch bei großtechnischen Anwendun
gen draht- oder flächenförmige Elektroden, die parallel oder
konzentrisch angeordnet sind, in das zu messende Medium
und misst mittels Gleich- oder Wechselspannungsanregung
seine Leitfähigkeit durch Bestimmung des ohmschen bzw.
des komplexen Widerstandes.
Eine spezielle Form dieser Elektrodenanordnung
sind die koaxialen Nadelsonden (DE 32 01 799 C1). Für die
Messung der Leitfähigkeit in sehr kleinen Volumina, z. B.
bei der Blasendetektion in Zweiphasenströmungen, wird ihr
Aufbau sehr schlank gewählt und die Messelektrode ist nur
noch wenige Zehntelmillimeter stark.
Um die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit
eines Mediums zu kompensieren oder gleichzeitig Tempera
turgradienten in dem Medium messen zu können, wird oft
parallel zur Leitfähigkeitsmessung die Temperatur gemes
sen. Dabei gelingt es nicht bei der Blasendetektion, eine
Temperaturmesseinrichtung in unmittelbarer Nähe der Leit
fähigkeitssonde so zu positionieren, dass Leitfähigkeit und
Temperatur in einem kleinen Blasenvolumen gemessen wer
den.
Bei einer koaxialen Konstruktion (DD 240 956)
wird die zentrale Elektrode der Leitfähigkeitssonde als Rohr
ausgeführt, in das ein Transistor als Thermosonde einge
klebt ist. Damit kann die Leitfähigkeit und die Temperatur
am gleichen Ort gemessen werden. Durch die Verwendung
eines Transistors im SOT23-Gehäuse wird diese Konstruk
tion aber relativ groß, sodass die Messergebnisse verfälscht
oder der Einsatz überhaupt nicht möglich ist.
Diese Nachteile werden mit der technischen Lö
sung nach DD 258 283, bei der ein konventionelles Ther
moelement als Thermosonde im Inneren der zentralen Hohl
elektrode einer koaxialen Leitfähigkeitssonde angebracht
ist, umgangen. Nachteilig bei dieser Konstruktion ist, dass
die Sonde immer noch aus zwei voneinander unabhängigen
Messsystemen besteht und daher die Messgenauigkeit der
temperaturabhängigen Leitfähigkeitsmessung nicht befrie
digt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die
Messsysteme für Leitfähigkeits- und Temperaturmessung so
zu verkleinern und aufeinander abzustimmen, dass beide
Messungen weitestgehend am gleiche geometrischen Ort er
folgen können und somit eine höchstmögliche Messgenau
igkeit für die um den Temperatureinfluss korrigierte Leitfä
higkeit erzielt wird.
Die Aufgabe
wird durch die Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst.
Der Metallmantel des Thermoele
ments und die äußere Elektrode der Leitfähigkeitssonde sind
aus gleichem Material gefertigt. Der Mantel des Thermoele
mentes dient als zentrale Messelektrode für die Leitfähig
keitsmessung und ein Draht des Thermoelementes und die
äußere Elektrode der Leitfähigkeitssonde sind für die Mess
wertgewinnung auf gleiches Bezugspotential geschaltet.
Durch diese Anordnung ist sowohl die Leitfähigkeits- und
Temperaturmessung am gleiche geometrischen Ort gege
ben. Infolge des gleichen Materials der Elektroden können
keine elektrochemische Potentiale zwischen den Elektroden
auftreten. Da Thermoelement und äußere Elektrode der
Leitfähigkeitssonde bereits im Sensor auf gleiches Bezugs
potential geschaltet werden, wird eine Verfälschung der
Auswertung infolge von Ausgleichsströmen zwischen bei
den Sondenteilen minimiert. Dadurch ist es sogar möglich,
Temperatur- und Leitfähigkeitsmessung sequentiell mit dem
gleichen Vorverstärker durchzuführen, wenn man diesen
umschaltbar aufbaut. Durch den Einsatz von sehr dünnen
Mantelthermoelementen mit einem Durchmesser von eini
gen Zehntelmillimetern kann man sehr schlanke Nadelson
denkonstruktionen und Temperaturmessungen mit einer ho
hen zeitlichen Auflösung erzielen. Diese Lösung ist sowohl
bei koaxialen Zwei- als auch bei Mehrelektrodenkonstruk
tionen einsetzbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines
Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
Die zugehörige Zeichnung zeigt den schemati
schen Aufbau der erfindungsgemäßen koaxialen Nadel
sonde mit einem Mantelthermoelement als Messelektrode.
Die Sonde besteht aus dem isolierten Mantelther
moelement, mit Metallmantel 1, Isolation 2 und Thermoele
ment 3. Den Metallmantel 1 des Thermoelements 3 umgibt
eine dünne Isolationsschicht 4, vorzugsweise aus Keramik,
und die äußere Bezugselektrode 5.
Der Metallmantel 1 des Thermoelementes 3 und
die äußere Bezugselektrode 5 sind, um elektrochemische
Potentialunterschiede zu vermeiden, aus gleichem Material.
Ein Draht 6 außerhalb Metallmantels des Thermoelementes
3 und die Bezugselektrode 5 für die Leitfähigkeitsmessung
werden durch eine Verbindung 7 zusammengeschaltet und
bilden das Bezugspotential für beide Messwerte. Die Ver
bindung 7 ist konstruktiv so zu gestalten, dass kein zusätzli
ches Thermoelement entsteht.
Für die Leitfähigkeitsmessung wird der Strom zwi
schen dem Metallmantel 1 des Thermoelementes 3 und der
äußeren Bezugselektrode 5 auf Grund der an den Metall
mantel 1 angelegten Spannung niederohmig gemessen. Die
ser Strom ist bei konstanter Spannung an der Messelektrode
und konstanten Umgebungsbedingungen eine Funktion der
Leitfähigkeit des Mediums, in dem sich die Elektroden be
finden. Die Temperaturmessung erfolgt zwischen dem auf
Bezugspotential geschalteten Draht 6 und dem freien Draht
8 des Thermoelementes 3, wobei die Drähte 6 und 8 außer
halb des Metallmantels kontaktiert sind.
Da die isolierten Mantelthermoelemente mit sehr
kleinem Durchmesser (0,15-0,25 mm) verfügbar sind, kann
man sehr dünne koaxiale Nadelsondenkonstruktionen reali
sieren. Dadurch ist es z. B. bei der Leitfähigkeitsmessung in
Wasser-Dampfgemischen möglich, exakte Temperaturgra
dienten an den Stellen der Leitfähigkeitsmessung zu ermit
teln, im Inneren von Blasen die Temperatur zu messen oder
nichtkondensierbare Gase nachzuweisen.
Mit der dargestellten Konstruktion erhält man ei
nen Mehrfunktionssensor, mit dem die lokale Leitfähig
keits- und Temperaturmessung an der gleichen Stelle er
folgt, eine gegenseitige Beeinflussung der Messsysteme
ausgeschlossen und eine hohe Messgenauigkeit erreicht
wird, wie sie bei getrennten Messsystemen nicht möglich
ist.
Claims (2)
1. Anordnung zur Messung der lokalen elektrischen Leitfähigkeit in Fluiden,
bestehend aus einer koaxial aufgebauten Nadelsonde, die sich aus einem
Thermoelement und zwei weiteren dieses umschließenden Elektroden
zusammensetzt, dadurch gekennzeichnet,
dass das Thermoelement (3) einen Mantel (1) aufweist, der die zentrale Mess
elektrode der Nadelsonde bildet und aus dem gleichen Material besteht wie die
äußere Elektrode der Nadelsonde als Bezugselektrode (5).
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Bezugselektrode (5) und ein Draht (6) des Thermoelementes (3) mittels einer
Verbindung (7) auf gleiches elektrisches Potential gelegt sind, das den Bezug
sowohl für Temperatur- als auch für Leitfähigkeitsmessung bildet.
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Also Published As
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