DE1598097C3

DE1598097C3 - Einrichtung zum Anzeigen des Salzgehalts eines Gewässers

Info

Publication number: DE1598097C3
Application number: DE1598097A
Authority: DE
Inventors: Hoyt Clarke Marion Mass. Hottel Jun. (V.St.A.)
Original assignee: Buzzards Corp Marion Mass (vsta)
Current assignee: Sippican Ocean Systems Inc
Priority date: 1965-04-22
Filing date: 1966-04-19
Publication date: 1975-11-13
Also published as: DE1598097A1; GB1145673A; US3479580A; DE1598097B2; NL6605472A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Anzeigen des Salzgehalts eines Gewässers von einer entfernten Station aus, mit einer in das Gewässer eintauchenden, ballistischen Sonde, die einen auf eine Änderung des Salzgehalts ansprechenden, aus einem beidseitig offenen, von dem Wasser zu durchströmenden Isolierrohr bestehenden Meßfühler aufweist, der mit einer Anzeigeeinrichtung in der Station über eine Leitung elektrisch verbunden ist.

Bei einer bekannten Einrichtung (US-PS 21 22 363) zur Messung der Leitfähigkeit von Flüssigkeiten befinden sich in einem beidseitig offenen Rohr zwei im Abstand voneinander angeordnete Meßelektroden, von denen jede über einen Draht mit der entfernten Anzeigeeinrichtung elektrisch verbunden ist. Die Messung der Leitfähigkeit der Flüssigkeit am Ort des Meßfühlers geschieht, indem über die Verbindungsdrähte der Meßelektroden mit der Anzeigeeinrichtung eine elektrische Spannung zwischen den Elektroden angelegt und der als Folge dieser Spannung zwischen den Elektroden fließende Stiom gemessen wird, der ein Maß für die Leitfähigkeit des zwischen den Elektroden befindlichen Flüssigkeitsvolumens ist. Diese bekannte Anordnung hat jedoch auf Grund der Ausbildung der Elektroden und der Meßstrecke den Nachteil, auch sehr lokale, für die Flüssigkeiten insgesamt nicht repräsentative Leitfähigkeitszustände zu messen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine

ίο höhere Meßgenauigkeit bei möglichst einfachem Aufbau aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Mitte des Meßfühlers eine einzige, an einen Leitungsdraht angeschlossene Meßelektrode angeordnet ist, und daß beide Enden des Rohres über eine Stromrückführung durch das Wasser mit der Anzeigeeinrichtung elektrisch verbunden sind. Ausgehend von der Erkenntnis, daß der elektrische Widerstand der Stromrückführung durch das Wasser vernachlässigbar klein gegenüber den zu messenden Widerständen und ohne Einfluß auf die Messung ist, wird hierdurch eine Einrichtung zum Anzeigen des Salzgehalts eines Gewässers geschaffen, die über die Leitfähigkeiten (als Maß für den Salzgehalt) zweier gleich langer, durch den Abstand der Meßelektrode von den Enden des Isolierrohres gegebenen Wassersäulen mittelt, wobei gleichzeitig durch Ausnutzung des Wassers als Stromrückführung ein Leitungsdraht eingespart wird.

Hinzu kommt als weiteres vorteilhaftes Merkmal der Anzeigeeinrichtung die ballistisch günstige Gestaltung der Sonde. Dies wird erzielt durch die Verwendung eines Rohres als Meßfühler, durch welches das Wasser beim Absteigen der Sonde hindurchströmt, so daß während des rein ballistischen Abstiegs der Sonde ein exakter Zusammenhang zwischen Eintauchtiefe und Eintauchzeit der Sonde besteht.

Der ballistische Abstieg läßt sich in besonders vollkommener Weise dadurch erzielen, daß der ballistisch gestaltete Sondenkörper eine Nase hat, in welcher das Isolierrohr koaxial mit dem Sondenkörper aufgenommen ist.

Bei einer Ausführungsform mit zwei Leitungsdrähten, wobei die Nase der Sonde ein leitfähiger Körper ist, ist vorgesehen, daß über einen weiteren Leitungsdraht eine Verbindung zwischen der leitenden Nase und der Anzeigeeinrichtung herzustellen ist.

Die Anzeigevorrichtung mit zwei Leitungsdrähten umfaßt nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung eine Meßbrückenschaltung, wobei der mit der Meßelektrode verbundene Leitungsdraht und der durch das Wasser innerhalb des Rohres gebildete Widerstand in einen Arm der Brückenschaltung, und der mit der leitfähigen Nase verbundene Leiter in einen benachbarten Arm der Brückenschaltung eingeschaltet ist, wobei die Stromrückführung durch das Wasser in den Speisekreis der Brückenschaltung eingeschaltet ist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine auswerfbare, stromlinienförmige erfindungsgemäße Sonde, welche von einem sich fortbewegenden Schiff aus ausgesandt wurde,

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht, teilweise im Schnitt der in einem Transportbehälter angeordneten Sonde,

F i g. 3 eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht der in F i g. 2 gezeigten Sonde,

F i g. 4 eine schematische Darstellung der elektronischen Schaltungsanordnung, die in Verbindung mit der Sonde mit einem Leitungsdraht verwendet wird,

F i g. 5 ein Schaltschema einer Sonde mit zwei Leitungsdrähten,

F i g. 6 ein Schaltschema einer Wechselstrombrükkenschaltung zum Messen mit der Sonde nach F i g. 5 und

F i g. 7 eine Kurve, welche den gemessenen Widerstand der Meßstrecke in der Sonde in Abhängigkeit von der Meßfrequenz der Wechselstrombrückenschaltung zeigt.

Die F i g. 1, 2 und 3 zeigen eine Sonde 50, die von einem sich fortbewegenden Schiff 33 ausgesandt wird und mit der auf dem Schiff befindlichen Anzeigeeinrichtung 48 über ein Kabel 36 elektrisch verbunden ist. Um der Sonde 50 einen von der Fortbewegung des Schiffes 33 möglichst unbeeinflußten Abstieg im Wasser zu ermöglichen, wird das Kabel 36 sowohl von einer Spule 76 abgewickelt, die sich in einem an Bord des Schiffes angeordneten Behälter 34, der auch der Aufnahme der Sonde vor ihrer Aussendung dient, befindet, als auch von einer Spule 37, die im Inneren des Körpers der Sonde 50 angeordnet ist. Auf diese Weise über das Kabel 36 trotz einer Bewegung des Schiffes keinerlei Zug auf die Sonde aus, so daß deren Abstiegsgeschwindigkeit allein durch ihr Gewicht und ihre Form, die stromlinienförmig gewählt ist, bestimmt wird. Am Heck des Sondenkörpers 50 befinden sich darüber hinaus Flossen 52, die bei 53 abgeknickt sind und so der Sonde im Wasser eine den Abstieg weiter stabilisierende Drehung verleihen.

Gemäß F i g. 3 weist die Sonde 50 einen Meßfühler auf, der aus einem beidseitig offenen Rohr 66 aus isolierendem Kunststoff besteht. Dieses Rohr befindet sich in der Nase 54 der Sonde 50 und ist mit seiner Längsachse auf die Längs- bzw. Sinkachse der Sonde50 ausgerichtet. Ungefähr in der Mitte zwischen den Enden 58 und 60 des Rohres 66 ist eine Meßelektrode 55 vorgesehen, die aus einem dünnen Metallstäbchen oder einem Kohle- bzw. Graphitstab bestehen kann. Sie ist derart in dem aus Kunststoff bestehenden Rohr 66 befestigt, daß sie von der Flüssigkeit frei umspült werden kann. Die Meßelektrode 55 ist mit einem Leitungsdraht verbunden, der im Kabel 36 zum Schiff 33 geführt ist.

Beim Abstieg der Sonde im Wasser durchströmt dieses das Rohr 66, wobei der Salzgehalt des Wassers am Ort der Sonde über die Leitfähigkeiten der durch die Elektrode 55 einerseits und die beiden Enden 58 und 60 des Rohrs 66 andererseits begrenzten Wassersäulen gemessen wird. Da beide Enden 58 und 60 gemeinsam mit dem offenen Wasser in Verbindung stehen, sind die beiden Wassersäulen elektrisch parallel geschaltet, so daß es zu einer die Meßgenauigkeit erhöhenden Mittelwertbildung zwischen den Leitfähigkeiten beider Wassersäulen kommt.

F i g. 4 zeigt in schematischer Darstellung eine Meßanordnung, die mit einem einzigen Leiter zwischen der Sonde und der Meßapparatur auskommt. F i g. 4 zeigt schematisch das Rohr 66, in dessen Mitte die Meßelektrode 55 angeordnet ist. Die Widerstände der beiden in den Rohrhälften befindlichen Wassersäulen zwischen der Meßelektrode 55 einerseits und den Enden 58 und 60 des Rohres andererseits sind durch 13 und 14 dargestellt. Diese Widerstände sind mit ihrem einen Ende mit der Meßelektrode 55 verbunden und stehen mit ihrem anderen Ende mit der »Masse« des die Stromrückführung 32 bildenden freien Gewässers in Verbindung. Zwischen der Meßelektrode 55 und der Stromrückführung 32 durch das Wasser liegen ferner zwei Rücken an Rücken gepolte, in Serie angeordnete Zener-Dioden 15 und 16. Sie dienen dazu, die zwischen der Meßelektrode 55 und der Stromrückführung und damit die an den Widerständen 13 und 14 angelegte Spannung für jede Polarität auf einen Maximalwert zu beschränken. Die Zener-Dioden 15

ίο und 16 sind innerhalb der Sonde 50 (nicht gezeigt) angeordnet und über den mit einem Gewicht versehenen leitfähigen Kopf 54 an die Stromrückführung 32 durch das Wasser angeschlossen. Die große Oberfläche des Kopfes, mit der dieser mit dem Wasser in Berührung steht, bietet einen guten Kontakt zur Stromrückführung 32 für die Zener-Dioden. Das andere Ende des Diodenpaares kann entweder direkt mit der Elektrode 55 oder über den im Kabel 36 befindlichen Leiter mit dieser verbunden sein. Der Widerstand des im Kabel 36 befindlichen Leiters wird durch den Widerstand 18 dargestellt. Der Leiter bzw. der durch ihm gegebene Widerstand 18 ist mit den Kontakten/? und d eines Umschalters 17 verbunden. Der Umschalter 17, dessen Kontakte α und e durch die Stromrückführung 32 durch das Wasser »gemasst« sind, ermöglicht einen periodischen Wechsel der Polarität der an der Meßelektrode 55 liegenden Spannung. Die Umschaltung ist notwendig, um Ionisationseffekte an der Meßelektrode zu verhindern. Bevorzugt liegt die Frequenz des Umschalters bei 5 Hz. Bei höheren Umschaltfrequenzen kann der kapazitive Blindwiderstand des Kabels 36 und des Wassers, insbesondere bei sehr langen Leitungen, die Messung ernsthaft verfälschen. Zwei Konstantstromgeneratoren 29 und 30 sind vorgesehen, die durch einen zweiten Umschalter 24 abwechselnd einzeln oder gemeinsam mit dem Leiter des Kabels 36 verbunden werden. Der vom Konstantstromgenerator 30 ausgegebene Strom ist neunmal so stark wie der des Generators 29. DieiUmschaltfrequenz des Umschalters 24 ist zweimal so hoch wie diejenige des Umschalters 17, so daß während eines Teils jeder Arbeitsperiode des Umschalters 17 der durch die Anordnung fließende Strom um den Faktor 10 erhöht wird.

Der erhöhte Strom bewirkt, daß je nach Spannungspolarität entweder die Zener-Diode 15 oder die Zener-Diode 16 die Zener-Spannung ez erreicht, so daß dann die Spannung an der Meßelektrode gegenüber der durch die Stromrückführung 32 durch das Wasser gebildete »Masse« nicht mehr vom Wert der Widerstände 13 und 14 abhängt.

Wenn sich der Umschalter 24 in der in F i g. 4 gezeigten Stellung befindet, so daß der Kontakt 24m mit dem Kontakt 24k verbunden ist, fließt ein durch die beiden Konstantstromgeneratoren 29 und 30 gemeinsam erzeugter Gesamtstrom von 10/ durch einen Regelwiderstand R₃₁, die Parallelschaltung, die aus den Widerständen 13, 14 und dem Zener-Diodenpaar 15, 16 gebildet ist, und durch den Widerstand 18 (der Widerstand der Stromrückführung 32 ist vernachlässigbar). In diesem Betriebszustand hat der Spannungsabfall an der Parallelschaltung der Widerstände 13, 14 und des Zener-Diodenpaares die Zener-Spannung erreicht, so daß zwischen den Ausgängen der beiden Konstantstromgeneratoren 29 und 30 eine Spannung von 10/(Λ_3ι + R₁₈) + <?z herrscht. Parallel zu den Konstantstromgeneratoren 29 und 30 liegen ferner zwei Spannungsteilerwiderstände 10 und 11 mit

5 6

gegenüber den übrigen Widerständen großen Wider- ^c steht, wie bereits angegeben, für den Gesamtstandswerten, wobei der Widerstandswert des Wider- widerstand der parallelgeschalteten Widerstände 13 Standes 11 neunmal so groß ist wie der des Wider- und 14.

Standes 10. Befindet sich der Umschalter 24 in der in Löst man obige Gleichung nach A₃₁ auf, so ergibt

F i g. 4 gezeigten Stellung, so daß der Kontakt 24/ mit 5 sich:

dem Kontakt 24d verbunden ist, so liegt ein Einheits- d _ d

verstärker 21 mit seinen Eingängen am Widerstand 10, . ³¹ ^c

erhält also ein Zehntel der obengenannten, an den Daher ist der Wert des Regelwiderstandes R₃₁ in

Eingängen der Konstantstromgeneratoren herrschen- der abgeglichenen Stellung gleich dem Widerstand Rc,

den Spannung. io welcher den Kehrwert der über die beiden Wasser-

Befindet sich der Umschalter 24 in umgekehrter säulen zwischen der Meßelektrode 55 und dem Ende 58 wie in F i g, 4 gezeigter Stellung, ist also der Kontakt bzw. 60 des Rohres 66 gemittelten Leitfähigkeit dar-24/ mit 24e, der Kontakt 24j mit 24Λ und der Kon- stellt. Der Wert des Widerstands 31 kann direkt von takt 24m mit 24L verbunden, so ist der Konstant- einer an der Potentiometerwelle in bekannter Weise stromgenerator 30, dessen einer Ausgang mit dem 15 angeordneten Skala abgelesen werden. Der hier verKontakt 24k verbunden ist, aus dem Stromkreis ab- wendete Meßkreis gleicht der Meß- und Registriergetrennt, und der Konstantstromgenerator 29 erzeugt schaltanordnung, die in der deutschen Patentschrift alleine einen Strom von der Größe / durch die Parallel- P 15 16 550 offenbart ist.

Schaltung aus den Widerständen 13, 14 und das F i g. 5 zeigt ein elektrisches Schaltschema der Zener-Diodenpaar. Dieser Strom reicht nicht aus, um 20 Sonde nach F i g. 3, wenn eine Meß- und Registrieran der Parallelschaltung einen Spannungsabfall von anordnung mit zwei Leitungsdrähten vorgesehen ist. der Größe der Zener-Spannung zu erzeugen, so daß Das Kabel 36 weist nun zwei Leitungsdrähte 61 und 62 der Spannungsabfall an der Parallelschaltung durch auf, die als Widerstände dargestellt sind. Die beiden die Widerstände 13 und 14 bestimmt wird. Bezüglich Leitungsdrähte können eng aneinander angeordnet der Ausgänge des Konstantstromgenerators 29 liegen 25 sein, damit sie den gleichen Umgebungsbedingungen mit der Parallelschaltung in Serie der Widerstand A₁₈ unterliegen. Der Leitungsdraht 61 ist mit der in dem und der Widerstand R₃₁, der nun aber durch eine mit Rohr 66 mittig angeordneten Meßelektrode 55 verdem Kontakt 24/ verbundene und parallel zu R₃₁ lie- bunden. Die Widerstände der Wassersäulen von der gende Batterie mit der Spannung 0,Ie₂ überbrückt Meßelektrode zum offenen Wasser, also zur Stromwird. Auf diese Weise herrscht zwischen den Aus- 30 rückführung 32 durch das Wasser, sind durch die gegangen des Konstantstromgenerators 29 eine Span- strichelt gezeichneten Widerstände 13 und 14 dargenung, die gleich 0,1 e_z + i (R₁₈ + Rc) ist, wobei R₀ stellt. Der Leitungsdraht 62 ist direkt mit der leitenden die Parallelschaltung der Widerstände 13 und 14 be- Nase 54 der Sonde verbunden. Diese steht durch ihre zeichnet. Durch das Umlegen des Kontaktes 24/ von große Oberfläche in gutem Kontakt mit dem sie um- 24d auf 24e liegt nun diese Spannung über einen 35 gebenden Wasser, wird also auch als mit der Strom-Widerstand 12 zur Impedanzanpassung am Einheits- rückführung 32 durch das Wasser verbunden dargeverstärker 21. stellt.

Die jeweilige Ausgangsspannung des Verstärkers F i g. 6 zeigt ein elektrisches Schaltschema eines wird über einen Transformator 19 und einen Konden- Wechselstrombrückenmeßkreises zur Verwendung mit sator 26 während einer Schaltstellung des Umschalters 40 der gemäß F i g. 5 geschalteten Sonde. Ein Vorteil der 24, nämlich dann, wenn der Kontakt 24c mit 24b Verwendung einer Brückenschaltung liegt in der Mögverbunden ist, auf einen Kondensator 27 geschaltet, lichkeit, durch Temperaturänderungen des Wassers der zwischen den Eingängen eines Verstärkers 22 liegt. bedingte Widerstandsänderungen der Leitungsdrähte Durch den Einfluß des Transformators 19 und des 61 und 62 kompensieren zu können. In der Praxis Umschalters 24 wird der Kondensator 27 während der 45 kann angenommen werden, daß die Sonde Temperazwei Schaltstellungen des Umschalters 24 im Mittel türen von +30 bis —2°C durchläuft. Wegen dieser auf eine Spannung aufgeladen, die der halben Diffe- großen Temperaturspanne würden die Widerstandsrenz der während der beiden Schaltstellungen am Ein- änderungen ohne Kompensation die Salzgehaltsgang des Einheitsverstärkers 21 liegenden Spannungen messung verfälschen. Von Bedeutung ist auch die proportional ist. Die Ausgangsspannung des Ver- 50 Tatsache, daß die Verstärkungscharakteristik eines stärkers 22 gelangt, wenn sich ein Schalter 25 in der in Verstärkers von seinem Arbeitspunkt abhängig ist. F i g. 4 gezeigten Stellung befindet, also der Kontakt Die Schaltungsanordnung gemäß F i g. 6 bietet die 25c mit 25a verbunden ist, an den Eingang eines Möglichkeit, den Arbeitspunkt des darin enthaltenen weiteren Verstärkers 23, dessen Ausgangsspannung Verstärkers trotz einer durch die Änderung des Salzeinen Servo-Motor 28 antreibt. Der Servomotor ver- 55 gehalts bedingten möglichen 5: 1 Änderung der Wischiebt den Abgreifer des Regelwiderstandes 31, und derstände 13 und 14 annähernd konstant zu halten,
zwar so lange, bis die Differenz der Eingangsspannun- Der Schaltkreis nach F i g. 6 ist der Grundschaltgen am Einheitsverstärker 21 für die beiden Schalt- kreis, der dazu dient, den Meßwert in bezug auf den Stellungen des Umschalters 24 zu Null geworden ist, Salzgehalt bzw. die Leitfähigkeit des Wassers durch was dazu führt, daß am Servo-Motor 28 keine Span- 60 Kompensation der genannten Effekte zu linearisieren. nung mehr liegt. Dieser Fall ist dann gegeben, wenn Die Schaltung ist im wesentlichen eine Wheatstoneentsprechend den oben angegebenen Werten am Ein- Wechselstrombrücke uhd umfaßt einen Wechselstromgang des Einheitsverstärkers 21 für die beiden Schalt- generator 110, dessen einer Ausgang über einen Verstellungen des Umschalters 24 die folgende Glei- gleichsweise hohen Widerstand 112 an der Stromrückchung(I)gilt: 65 führung 32 durch das Wasser liegt. Durch den vergleichsweise hohen Wert des Widerstandes 112 wird

0,1 [10/(A₃₁ -f- R_1B) + e_z] = 0,1 e_z + /A₁₈ + Mc der Einfluß der an sich schon verhältnismäßig gering-

(I)' fügigen Widerstandsänderungen der Stromrückfüh-

rung 32 durch das Wasser auf ein Mindestmaß beschränkt.

Ein Zweig der Brücke weist die durch die Wassersäulen im Rohr 66 gebildeten Widerstände 13 und 14 mit ihren Werten R₁₃ und R_u sowie den durch den einen Leitungsdraht 61 im Kabel 36 gegebenen Widerstand R₆₁ auf.

Der Zweig, der diesen Zweig kompensiert, enthält den durch den zweiten im Kabel 36 befindlichen Leitungsdraht 62 gebildeten Widerstand R₆₂. Die Widerstandsänderungen des Leitungsdrahts 61 und des Leitungsdrahts 62 sind dieselben, da beide Leitungsdrähte den gleichen Temperaturen und somit auch den gleichen Widerstandsänderungen unterworfen sind. Wie oben angeführt, liegen das eine Ende Leitungsdrahts 62 und die Enden 58 und 60 des Rohres 66 gemeinsam an der Stromrückführung 32 durch das Wasser. Die restlichen Teile der Brückenmeßschaltung sind in der elektronischen Anlage an Bord des Schiffes angeordnet. Die Brücke weist Regelwiderstände 114 und 116 auf, die jeweils verschiebbare Abgriffe 114a und 116a besitzen. Ein Festwiderstand 118 ist in Reihe mit dem Leitungsdraht 62 und dem Widerstand 114 geschaltet. Ein zweiter Festwiderstand 120 liegt zwischen dem schiffseitigen Ende des Leitungsdrahts 61 und dem Regelwiderstand 116. Der Brückenabgriff erfolgt zwischen dem gemeinsamen Punkt des Widerstandes 120 und dem Leitungsdraht 61 einerseits und dem verschiebbaren Abgriff 114a des Widerstands 114 andererseits. Die dort abgenommene Spannung wird einem Abweichungsverstärker 122 zugeführt, der in an sich bekannter Weise mit einem (nicht gezeigten Servomechanismus) gekoppelt sein kann, um auf diese Weise auf einem Registrierstreifen eine Leitfähigkeits- bzw. Salzgehaltskurve aufzuzeichnen.

Der Wert des Widerstands 118 ist gleich dem auf Grund des Salzgehalts des Wassers in Frage kommenden Minimalwerts des durch die Widerstände 13 und 14 gegebenen Parallelwiderstands. Der Wert des Widerstands 140 ist gleich dem auf Grund des Salzgehalts des Wassers in Frage kommenden Maximalwerts der Parallelwiderstände 13 und 14 minus dem obengenannten Minimalwert der beiden Widerstände 13 und 14.

Die Werte der Widerstände 116 und 120 sind beide gleich der Hälfte des Werts des Widerstands 114. Die verschiebbaren Abgriffe 114a und 116a sind mechanisch miteinander verbunden und haben die gleiche Widerstand-Stellung-Charakteristik. Die beiden Abgriffe können in üblicher Weise von dem Servomotor angetrieben werden, der das Registriergerät steuert, so daß sie entsprechend der Änderung der Widerstände 13 und 14 verschoben werden.

In jedem abgeglichenen Zustand der Brückenschaltung ist der Widerstand zwischen dem Abgriff 114a und der Verbindungsstelle der Widerstände 114 und 118 gleich dem gemessenen Widerstand der Parallelwiderstände 13 und 14 minus deren Minimalwiderstand, wohingegen der Widerstand zwischen dem Abgriff 116a und dem gemeinsamen Punkt der Widerstände 116 und 114 gleich der Hälfte der Differenz zwischen dem gemessenen Widerstand der Parallelwiderstände 13 und 14 und deren Minimalvviderstand ist. Es läßt sich daher zeigen, daß der Widerstand des Brückenzweiges zwischen den Abgriffen 114a und 116a gleich dem Widerstand des Zweiges zwischen dem Abgriff 116a und dem gemeinsamen Punkt des Widerstands 120 und des Leitungsdrahts 61 ist. In gleicher Weise ist der Widerstand des den Leitungsdraht 61 und die Parallelschaltung der Widerstände 13 und 14 aufweisenden Zweiges gleich dem Widerstand des Zweiges zwischen dem gemeinsamen Punkt der Widerstände 13 und 14 mit dem Leitungsdraht 62 und dem Abgriff 114a. Diese Schaltung bewirkt, daß jede Abweichung vom abgeglichenen Zustand der Brücke bedingt durch eine Änderung der Widerstände 13

ίο und 14 die Spannung an der Brücke in geringerem Maße beeinflußt, als der Widerstandsänderung der Widerstände 13 und 14 entspricht. So ändert sich diese Spannung etwa um den Faktor 2, wenn sich der Wert der Widerstände 13 und 14 um den Faktor 5 ändert.

Der Abweichungsverstärker 122 zur Messung der durch die Änderung des Salzgehalts bewirkten Widerstandsänderungen der Widerstände 13 und 14 kann an eine graphische Registrieranordnung angeschlossen sein, wie sie in der deutschen Patentanmeldung P 15 16 550 beschrieben ist, wobei dieses Registriergerät über die Stromrückführung durch das Wasser den Moment des Eintauchens der Sonde feststellen kann, so daß dadurch die zeitliche Nullmarke zur Berechnung des Orts der absteigenden Sonde gesetzt ist.

Die Schaltung nach F i g. 6 stellt einen Wechselstrommeßbrückenkreis mit hoher Impedanz dar, so daß an der Meßelektrode eine Wechselspannung erzeugt wird, die ihre Ionisation verhindert. Weiterhin kann die Brücke Koppelkondensatoren längs der Leitungsdrähte 61 und 62 oder in den Armen der Brücke aufweisen, um EMK-Spannungen zu eliminieren, die durch eine eventuelle Ionisierung der mit dem Wasser in Berührung stehenden Elektroden (beispielsweise 55 oder 54) entstehen könnten.

Man hat beobachtet, daß die Ionisierung der Meßelektrode 55 bewirkt, daß der an die Sonde angeschlossene Meß- und Registrierapparat wesentlich höhere Widerstandswerte verzeichnet als nach dem Salzgehaltszustand des Meeres erwartet wurden. Wird die Frequenz des Wechselstromgenerators 110 erhöht, werden die Ionisationsauswirkungen auf die Meßelektrode 55 vermindert, so daß sich die gemessenen Widerstandswerte den Werten nähern, die bei Nicht-Vorhandensein der Ionisation der Meßelektrode gemessen werden würden.

Labormessungen des Widerstandes einer Probe Seewasser bei 22°C auf einem Weg von 91 cm in einem U-Rohr, das einen Innendurchmesser von 4 mm besitzt, haben die Daten der Tabelle I zwischen 5 und 2000 Hertz ergeben.

Tabelle I

Frequenz (Hertz)	Widerstand · 10³ Ohm
2000	13,6
1000	13,65
500	13,75
200	13,85
100	14,05
50	14,3
20	14,65
10	15,2
5	16

F i g. 7 ist die graphische Darstellung des Widerstandes der Probe Seewasser mit einem Salzgehalt von

509 646/40

R_C =

_e/-o

-0,5

(III)

_a_

(/Γ⁰·⁵ - /Γ⁰·⁵)

( f -0,5 f 0.5Λ

3,7 % in obenerwähntem Testgerät für eine Rechteckfrequenz des Meßgerätes. Bei hohen Meßfrequenzen nähert sich der Widerstand einem wahren Wert Rt, der nach der Kurve in F i g. 7 auf 13,5 ΚΩ geschätzt wird, wobei Rt unabhängig von der Ionisation der Meßelektrode 55 ist.

Verwendet man jedoch, wie bei den praktischen Salzgehaltmessungen der Fall, eine Sonde mit einem etwa 2000 m langen Kabel 36, so ist es nicht möglich, die Brückenschaltung bei Frequenzen von mehr als 20 Hertz zu betreiben, und zwar auf Grund der Kapazitäten zwischen Kabel 36 und dem Meer. Es ist wünschenswert, den Widerstand Rt von den bei niedrigen Frequenzen durchgeführten Brückenmessungen voraussagen zu können. Aus verschiedenen ozeanographischen Veröffentlichungen geht hervor, daß die Messung der Leitfähigkeit des Meeres in bezug auf die Frequenz, wie folgt dargestellt werden kann:

wobei Rc der Widerstand des Fühlerelements ist, / die Meßfrequenz, R₀₃ der Widerstand des Elements bei / = 00 und »α« eine Konstante darstellt. Wendet man die Gleichung III auf die Resultate aus F i g. 7 an, können folgende Beziehungen für zwei Frequenzen /1 und /₂ entwickelt werden, wenn R_x = Rt, dann

R = Rt + af-°'⁵

R₁=Rt+ σ/r⁰'⁵

R₂=Rt + a/r⁰'⁵

R₁-R₂ = α (/Γ⁰·⁵ - Λ"⁰·⁵)

(R₁-R₂)

35

0,5

(IV)

Setzt man die Werte aus Tabelle I, wonach ^₂ = 15 200 Ohm bei /₂ = 10 Hertz und R₁ = 16 000 Ohm bei J₁ = 5 Hertz ist, in die Gleichung (IV) ein, dann ist Rt ^ 13 300 Ohm. Dieser Wert stimmt mit dem aus F i g. 7 vorausgesagten Wert mit einer Genauigkeit von 1,5% überein. Derart ist es möglich, Pr genau zu berechnen, wobei das Meßgerät bei niedrigen Frequenzen betrieben wird, so daß der wahre Salzgehalt des Meeres bestimmt werden kann.

Weiterhin ist es möglich, die Schallgeschwindigkeit im Wasser zu berechnen, wenn die Wassertemperatur und der Salzgehalt des Wassers bekannt sind. In dem Bericht mit dem Titel »A Simplified Buoyancy Recorder for Submarines« von Allyn Vine, Woods Haie Oceanographic Institute, 1947, sind verschiedene Tabellen ausgearbeitet worden, die es ermöglichen, die Schallgeschwindigkeit in dem Wasser zu bestimmen, wobei die Leitfähigkeit (oder der Salzgehalt) und die Temperatur des Wassers bekannt sind.

Bei Tiefenmeßgeräten mit Echolotung ist bei Bekanntsein der wahren Schallgeschwindigkeit in den verschiedenen Wasserschichten im Meer eine genaue Ortsbestimmung von Gegenständen unter Wasser möglich. Außerdem ist der Salzgehalt der See ihrer Dichte proportional, so daß es möglich ist, den Schwimmauftrieb von Unterwasserfahrzeugen in den verschiedenen Meeresschichten zu bestimmen.

In der obenerwähnten Patentanmeldung wird eine die Temperatur mit Hilfe eines Thermistors abtastende Sonde beschrieben. Im Rahmen der Erfindung kann auch in ein und derselben Sonde ein die Temperatur abtastendes Element und ein den Salzgehalt abtastendes Element eingeschlossen sein und diese können mit einem Meß- und Registriergerät verbunden sein, welches automatisch die Schallgeschwindigkeit im Wasser im Verhältnis zur Tiefe bestimmen und registrieren kann. Die Schallgeschwindigkeit kann mit einer Genauigkeit von 30 cm/Sek. berechnet werden, wenn der spezifische elektrische Widerstand des Seewassers mit einer Genauigkeit von 3< bekannt ist, eine Genauigkeit, die leicht mit Hilfe des erfindungsgemäßen Gerätes erreicht werden kann.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Anzeigen des Salzgehaltes eines Gewässers von einer entfernten Station aus, mit einer in das Gewässer einzutauchenden, ballistischen Sonde, die einen auf eine Änderung des Salzgehaltes ansprechenden, aus einem beidseitig offenen, von dem Wasser zu durchströmenden Isolierrohr bestehenden Meßfühler aufweist, der mit einer Anzeigeeinrichtung in der Station über eine Leitung elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte des Meßfühlers eine einzige, an einen Leitungsdraht angeschlossene Meßelektrode (55) angeordnet ist, und daß beide Enden des Rohres (66) über eine Stromrückführung durch das Wasser mit der Anzeigeeinrichtung (48) elektrisch verbunden sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ballistisch gestaltete Sondenkörper (50) eine Nase (54) hat, in welcher das Isolierrohr (66) koaxial mit dem Sondenkörper (50) aufgenommen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, wobei die Nase der Sonde ein leitfähiger Körper ist, dadurch gekennzeichnet, daß über einen weiteren Leitungsdraht (62) eine Verbindung zwischen der leitenden Nase (54) und der Anzeigeeinrichtung herzustellen ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung eine Meßbrückenschaltung umfaßt, wobei der mit der Meßelektrode verbundene Leitungsdraht (61) und der durch das Wasser innerhalb des Rohres (66) gebildete Widerstand in einen Arm der Brückenschaltung, und der mit der leitfähigen Nase (54) verbundene Leitungsdraht (62) in einen benachbarten Arm der Brückenschaltung eingeschaltet sind, wobei die Stromrückführung durch das Wasser in den Speisekreis der Brückenschaltung eingeschaltet ist.