DE10012938C2 - Anordnung zur Messung der lokalen elektrischen Leitfähigkeit und Temperatur in Fluiden - Google Patents

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.