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Durchströmte Meßzelle zur Bestimmung der elektrischen Leit-
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fähigkeit von Flüssigkeiten.
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Die Erfindung betrifft eine Meßzelle zur Bestimmung der elektrischen
Leitfähigkeit von Flüssigkeiten mit einem von der Flüssigkeit erfüllten, vorzugsweise
durchströmten Rohr, dessen Innenseite mit Elektroden versehen ist, von denen eine
geerdete und eine hochliegende Stromelektrode einen Stromfluß erzeugen und zwei
Meßelektroden an dem Widerstand der Flüssigkeit eine Meßspannung abgreifen. Solche
Meßzellen dienen zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit, z. B.
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des Meerwassers. Der zwischen den Stromelektroden durch die Flüssigkeit
fließende Strom erzeugt am elektrischen Widerstand der Flüssigkeit einen Spannungsabfall,
der mit den Meßelektroden abgegriffen wird, die, da sie vom Primärstromkreis getrennt
sind, sehr hochohmig geschaltet sein können, um die sonst die Meßergebnisse verfälschenden
Polarisationsspannungen auszuschalten.
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Bekannte Meßzellen der eingangs genannten Art besitzen zwei im wesentlichen
an den Enden des Rohres angeordnete Stromelektroden, zwischen denen die Meßelektroden
angeordnet sind.
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Der Strom fließt bei dieser Anordnung jedoch nicht nur über die Meßstrecke
im Inneren des Rohres, sondern auch durch den Außenraum der Flüssigkeit. Der Außenstrom
ist zwar um Größenordnungen kleiner, jedoch geht dieser Außenstrom z.B.
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dann signifikant in das Meßergebnis ein, wenn über die elektrische
Leitfähigkeit z. B. der Salzgehalt von Meerwasser mit genügender Genauigkeit bestimmt
werden soll, wozu eine außerordentlich hohe, an den Grenzen des Standes der Technik
liegende Meßgenauigkeit erforderlich ist. Die bekannten Meßzellen sind daher stark
von der Geometrie der Umgebung abhängig, was große Nachteile dann hat, wenn eine
solche Meßzelle beispielsweise an einem Instrumententräger verwendet
wird,
an dem andere, in der Umgebung der Meßzelle befindliche Instrumente gegen Instrumente
anderer Größe ausgewechselt werden. Bei den bekannten Meßzellen ist dann eine Nacheichung
erforderlich. Die bekannten Meßzellen für Meeresforschungszwecke lassen sich aus
diesem Grund auch nicht unter Laborbedingungen eichen, da kleinere Wasserbecken
einen völlig anderen Wert des Außenstromes ergeben.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt daher darin, eine Meßzelle
der eingangs genannten Art zu schaffen, die unabhängig von der Umgebung mißt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine weitere
geerdete Stromelektrode vorgesehen ist, wobei die hochliegende Stromelektrode in
axialer Richtung zwischen den geerdeten Stromelektroden liegt. Das elektrische Feld
wirkt sich bei dieser Konstruktion nur im Inneren der Zelle, die an beiden Enden
geerdet ist, aus, so daß der äußere Raum feldfrei wird. Man gewinnt auf diese Weise
zwei beliebig nutzbare Meßstrecken, die eine von der Umgebung ungestörte Feldverteilung
haben.
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Weiterhin vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Meßzelle dadurch gekennzeichnet,
daß die hochliegende Elektrode symmetrisch zwischen den geerdeten Elektroden liegt.
Da die Abschirmung durch die geerdeten Stromelektroden nie vollständig sein kann,
tritt auf jeder Seite des Rohres noch ein geringer, zum anderen Rohrende verlaufender,
als "Durchgriff" zu bezeichnender Feld- bzw. Stromanteil aus.
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Durch symmetrische Anordnung der Meßzelle wird der Durchgriff auf
beiden Seiten gleich groß. Da die an jedem Ende austretenden Anteile entgegengesetzt
gerichtet sind, wird dieser Fehler bei-symmetrischer Anordnung beseitigt.
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Ringförmige Elektroden erlauben die Realisierung einer sehr guten
Symmetrie und ergeben daher den geringsten Durchgriff bzw. die beste Restkompensation.
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Weiterhin vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Meßzelle dadurch gekennzeichnet,
daß das Rohr einen konstanten lichten Querschnitt und eine durchgehend glatte Innenoberfläche
auch an den Elektroden aufweist. Auf diese Weise wird die Symmetrie der Meßzelle
optimiert, und es ergeben sich beste Durchströmungs- und für die Meßgenauigkeit
wichtige Reinigungsmöglichkeiten der glatten Oberfläche.
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Weiterhin vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Meßzelle dadurch gekennzeichnet,
daß die geerdeten Elektroden als den Rohrquerschnitt abdeckende Gitter ausgebildet
sind.
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Bei dieser alternativen Ausführungsform der geerdeten Elektrode spielen
Form und Symmetrie der Zelle eine untergeordnete Rolle, da der Durchgriff je nach
Feinheit des Gitters um Größenordnungen kleiner ist.
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Weiterhin vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Meßzelle dadurch gekennzeichnet,
daß die geerdeten Elektroden als umströmte Körper, deren Durchmesser im wesentlichen
die Projektion des Rohrquerschnittes abdecken, in den mit im wesentlichen um den
Querschnitt der Körper erweiterten Querschnitt ausgebildeten Rohrenden angeordnet
sind. Die Homogenität des Feldes an den Enden der Meßstrecke wird auf diese Weise
weiter verbessert. Die geerdeten Körper, die die Projektion des Rohrquerschnittes
aus der Meßstrecke heraus abdecken, ergeben einen im wesentlichen bis zu den Körpern
hin homogenen Verlauf der Feldlinien. Der Querschnitt des Rohres ist um die Körper
herum erweitert, so daß das Rohr auf seiner gesamten Länge einen konstanten Durchströmungsquerschnitt
und somit eine gute Durchströmbarkeit besitzt.
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Weiterhin vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Meßzelle dadurch gekennzeichnets
daß auf jeder Seite der hochliegenden Elektrode ein Meßelektrodenpaar angeordnet
ist. Mit dieser Konstruktion wird die erfindungsgemäße Zelle optimal genutzt, und
es ergeben sich vielfältige Möglichkeiten, in einem Meßelektrodenpaar auftretende
Fehler auszugleichen.
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Dabei sind die Meßelektroden vorteilhaft so an einen Meßverstärker
angeschlossene daß der Meßverstärker die Spannungen der beiden Meßelektrodenpaare
addiert. Auf diese Weise ergibt sich die doppelte Meßspannung und damit eine höhere
Genauigkeit.
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Eine erfindungsgemäße Meßzelle mit angeschlossener Stromquelle ist
vorteilhaft dadurch gekennzeichnetX daß die Stromquelle eine Konstantstromquelle
ist. Der Strom kann auf diese Weise verhältnismäßig niedrig eingestellt werden,
so daß die Verlustleistung der Zelle und die dadurch bedingte Erwärmung niedrig
gehalten werden kann, was in Anbetracht der z. B.
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zur Salzgehaltbestimmung erforderlichen sehr hohen Genauigkeit von
großer Wichtigkeit liste da bei solchen Messungen die gegebenenfalls auftretende
Eigenerwärmung unter tQ 3 C bleiben muß.
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Ene erfindungsgemäße Meßzelle mit Wechselstromquelle und Meßverstärker
ist
vorteilhaft dadurch gekennzeichnet, daß der Meßverstärker als Phasenmeßhrücke gemäß
OS 22 05 989 -ausgebildet ist. Die in der OS 22 05 989 beschriebene Phasenmeßbrücke
eignet sich hervorragend zur hochgenauen Bestimmung sehr kleiner Spannungsabweichungen,
wie sie im vorliegenden Falle auftreten Die Phasenmeßbrücke setzt die Spannungsänderung
in eine Phasenverschiebung um. Dadurch wird eine ganze Reihe von Fehlermöglichkeiten
ausgeschaltet, so daß man mit einem verhältnismäßig einfachen und robusten Schaltungsaufbau
auskommt. Außerdem ergibt sich der Vorteil, daß die Phasenverschiebung z. B. durch
hochfrequentes digitales Auszählen schnell und sehr genau bestimmt werden kann.
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SchließIich ist die erfindungsgemäße Meßzelle vorteilhaft dadurch
gekennzeichnet, daß das dünnwandige Rohr auf seiner Außenseite von einer mit der
Flüssigkeit im Druckausgleich stehenden, vorzugsweise elektrisch isolierenden Druckausgleichsflüssigkeit
umgeben ist. Bei Messungen in der Tiefsee werden die Meßzellen enormen Drücken ausgesetzt.
Durch den Druckausgleich auf der Außenseite des Rohres werden Querschnittsänderungen
verringert Die dünnwandige Ausbildung verringert den Formeffekt, der sich durch
Volumenkompression des Rohrmateriales, beispielsweise Glas, ergibt.
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In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise und schematisch
dargestellt. Es zeigen: Abb. 1 die schematische perspektivische Ansicht eines Meßrohres
mit auf der inneren Oberfläche des Rohres angeordneten Ringelektroden, Abb. 2 einen
Achsschnitt durch die Wand eines Meßrohres, das zur Messung unter extremen Drücken
geeignet ist, Abb. 3 den Schnitt durch das eine Ende eines Meßrohres mit einer auf
besondere Weise ausgebildeten geerdeten Elektrode und Abb. 4 die schematische Darstellung
eines Meßrohres mit als großvolumige Körper ausgebildeten geerdeten Elektroden.
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Abb. 1 zeigt die Grundform der erfindungsgemäßen Meßzelle.
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Ein Rohr 1 von konstantem Kreisquerschnitt und mit offenen Enden ist
auf seiner Innenseite mit Ringelektroden versehen.
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In der Nähe seiner Enden sind geerdete Elektroden 2 bzw. 3 angeordnet,
während in der Mitte eine hochliegende Elektrode 4 vorgesehen ist. Die hochliegende
Elektrode 4 ist also mit
deigegenüber dem Erdpotential Spannung
führenden Ausgang einer Stromquelle verbunden. Zwischen den Elektroden 2 und 4 sind
zwei Meßelektroden 5 und 6 angeordnet. Entsprechend sind zwischen den Elektroden
4 und 3 zwei Meßelektroden 7 und 8 vorgesehen.
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Die Elektroden 2 und 3 bzw. die Elektrode 4 sind mit nicht dargestellten
isolierten Verbindungsleitern, die vorzugsweise durch die Rohrwand geführt sind,
um den Feldverlauf im Rohrinneren nicht zu stören, mit einer Stromquelle verbunden.
Die Meßelektroden 5 und 6 bzw. 7 und 8 jeder Rohrhälfte sind jeweils mit den beiden
Eingängen eines Meßverstärkers verbunden. Auch hier sind die Zuführungsleitungen
wiederum durch die Rohrwand geführt und gegenüber der Umgebung isoliert.
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Wenn das Rohr 1 in ne Flüssigkeit getaucht wird, so ist es von dieser
allseitig umgeben und wird von ihr auch in seinem Inneren frei durchströmt. Zwischen
der hochliegenden Elektrode 4 und den geerdeten Elektroden 2 und 3 bildet sich ein
symmetrisch nach beiden Seiten von der Rohrmitte aus verlaufender Stromfluß aus.
Die sich ausbildenden Stromflußlinien
enden jeweils in den geerdeten
Elektroden 2 und 3, so daß der außerhalb des Rohres liegende Raum feld-und stromfrei
ist. Mit den Elektroden 5 und 6 bzw. 7 und 8 wird der Stromfluß zwischen den Elektroden
4 und 2 bzw.
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4 und 3 abgegriffen. Die zwischen den Elektroden 5 und 6 bzw. 7 und
8 gemessene Spannung erlaubt die Bestimmung des Widerstandes der Flüssigkeit.
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Die an den Meßelektrodenpaaren 5, 6 bzw. 7,8 gemessenen Spannungen,
die bei symmetrischem Rohraufbau von gleicher Höhe sind, können miteinander zur
Eliminierung von Fehlern verglichen werden. Vorzugsweise werden sie zwei Meßverstärkern
zugeführt, die die Spannungen zu einer Gesamtspannung addieren, wodurch die Meßgenauigkeit
erhöht wird. Weiterhin vorzugsweise wird als Meßverstärker eine Phasenmeßbrücke
gemäß OS 22 05 989 benutzt, in der die Meßspannungen in Phasendifferenzen einer
Wechselspannung umgesetzt werden. Diese Phasendifferenzen können mit hoher Präzision
digital ausgemessen werden.
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Der Rohrquerschnitt kann von beliebiger Form sein. Vorzugsweise ist
der Querschnitt rund, woraus sich Bearbeitungsvorteile und Vorteile in der Berechnung
des Widerstandes ergeben.
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Die Elektrodenringe 2 bis 8 sind vorzugsweise in die Wand
eingelassen,
damit die Innenwand völlig glatt durchgehend ausgebildet sein kann. Auf diese Weise
kann die Rohrinnenwand stets schnell und einfach von Verunreinigungen, beispielsweise
von Algenbewuchs befreit werden. Beispielsweise können die Elektrodenringe als Dünnfilme
auf der Innenwand aufgebracht sein.
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Abb. 2 zeigt eine Ausführungsform, die insbesondere zu Messungen des
Salzgehaltes in der Tiefsee, also unter extrem hohen Drücken geeignet ist. Das Meßrohr
11 besteht aus Abschnitten 19 eines isolierenden Rohrmateriales, beispielsweise
Glas, zwischen denen Elektrodenringe 12 bis 18 befestigt sind. Dieses Meßrohr 11
kann beispielsweise durch Übereinanderstapeln und Verkleben der einzelnen Rohrabschnitte
und der Elektroden hergestellt werden. Wie in Abb. 2 ersichtlich, ist die Innenfläche
des Rohres wiederum glatt durchgehend gestaltet.
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Das verhältnismäßig dünne Rohr tf ist innerhalb eines dickwandigen
Stützrohres 20 angeordnet und mit diesem durch dünne, über den Umfang und die Länge
des Rohres verteilte Stützen 21 verbunden. Der Zwischenraum zwischen dem Meßrohr
11 und dem Stützrohr 20 ist axial durch elastische Membranen 22 verschlossen
und
mit einer elektrisch hochisolierenden Flüssigkeit gefüllt, die über die Membranen
22 in Druckausgleich mit der Umgebung steht. Nicht dargestellte isolierte Elektrodenanschlußleitungen
verlaufen von der Außenseite der Elektroden 12 bis 18 vorzugsweise durch den Zwischenraum
zwischen dem Meßrohr 11 und dem Stütz-und rohr 20 /dadurch das Stützrohr 20 hindurch
zu der Stromquelle bzw. den Meßverstärkern.
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Wie Abb. 2 zeigt, ist das Meßrohr 11 in allen seinen Teilen sehr dünnwandig
ausgeführt. Die bei hohen Drücken auftretende Volumenkompression des Materiales,
die zu Formveränderungen und somit zu Meßabweichungen führt, wird damit herabgesetzt.
Die mechanische Festigkeit der Anordnung wird nur durch das dicke Stützrohr 20 gewährleistet.
Auf jeden Fall werden geometrische Formänderungen des Meßrohres 11, auf das allseitig
derselbe Druck wirkt, insbesondere also Verbiegungen dieses Rohres, vermieden.
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Abb. 3 zeigt ein Meßrohr 31 mit in die Innenwand eingelassenen Meßelektroden
35 und 36. Die am Rohrende sitzende geerdete Elektrode 32 ist bei dieser Konstruktion
als den Rohrquerschnitt versperrendes Kreuz ausgebildet. Dieses z. B. aus
Blech
gefertigte Kreuz ist in einem Rohrabschlußring 39 angeordnet, der zusammen mit dem
Kreuz 32 zu Reinigungszwecken schnell von dem Rohr 31 abgenommen werden kann.
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Anstelle des Kreuzes 32 kann auch ein verhältnismäßig feinmaschiges
Gitter vorgesehen sein. Dabei erhöht sich die Abverringert sich schirmung des Rohr
inneren, und somit/der Einfluß der Umgebung auf das Meßergebnis. Nachteilig ist
dann jedoch stets die schlechtere Durchströmbarkeit des Rohres, wodurch der freie
Flüssigkeitsaustausch mit der Umgebung verringert wird. Dadurch wird die Ansprechgeschwindigkeit
der Meßzelle auf Veränderungen der Flüssigkeit in der Umgebung der Meßzelle verkleinert.
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Abb. 4 zeigt eine vorteilhafte Lösung dieses Problemes.
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Die Enden eines Rohres 41 sind in ihrem Querschnitt erweitert. An
diesen Stellen erweiterten Querschnittes sind konzentrisch im Rohrinneren die geerdeten
Elektroden 42 und 43 als von der Flüssigkeit umströmte Körper angeordnet. Dabei
entspricht der Außendurchmesser der Elektroden 42 und 43 im wesentlichen dem lichten
Querschnitt des als Meßstrecke verwendeten Rohrstückes zwischen diesen Elektroden.
Aus der Meßstrecke zu den Enden hin austretende Feldlinien verlaufen daher außerordentlich
homogen bis zu den geerdeten Elektroden 42 und 43.
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In dem geraden Rohrstück geringeren Querschnittes zwischen den Rohrenden
sind bei 44 bis 48 die hochliegende Stromelektrode sowie die Meßelektroden entsprechend
der Anordnung in Abb. 1 vorgesehen.
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Die Erweiterung des Rohrquerschnittes an den Enden des Rohres 41 entspricht
dem Querschnitt der geerdeten Körper 42 bzw. 43, so daß das Rohr auf seiner gesamten
Länge von konstantem durchströmbarem Querschnitt ist. Es ist also die freie Durchströmbarkeit
genauso gut gewährleistet wie bei der Ausführungsform gemäß Abb. 1. Zur Reinigung
des Rohres sind die geerdeten Körper 42 bzw. 43 herausnehmbar vorgesehen.
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Die Halterungen der Körper sowie die Anschlußleiter für diese Körper
und für die übrigen Elektroden sind in der Abbildung der Übersichtlichkeit halber
nicht dargestellt.
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Die in den Abbildungen dargestellten Ausführungsformen der Meßzelle
können als offenes Rohr verwendet werden oder auch als beispielsweise an einem Rohrende
verschlossener Behälter, der zur Messung im Labor mit der zqbestimmenden Flüssigkeit
gefüllt wird. Es ergeben sich stets dieselben Meßwerte, da die erfindungsgemäße
Meßzelle von der Umgebung unabhängig ist.
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Vorzugsweise werden die Meßzellen gemäß der vorliegenden Erfindung
mit
anderen Instrumenten an einem Instrumententräger angeordnet, der an langen Seilen
in das Meer hinabgelassen wird. Von Vorteil ist dann die Unempfindlichkeit der erfindungsgemäßen
Meßzelle gegen Veränderungen in der Ungebung. Beispielsweise können in der Nähe
der Meßzelle andere Geräte unterschiedlicher Form in unterschiedlichem Abstand zur
Meßzelle angeordnet sein, ohne den Meßvorgang zu stören. Von Vorteil ist auch die
gute Eichbarkeit der erfindungsgemäßen Meßzelle. Die Eichung, beispielsweise unter
hohem Druck, kann in einem kleinvolumigen Autoklaven durchgeführt werden, während
später die eigentlichen Messungen im freien Meer, also in einem nährungsweise unendlich
großen Außenvolumen durchgeführt werden.
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L e e r s e i t e