DE3238956C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Präzisionsmeßzelle für Leit
fähigkeitsmessungen flüssiger Medien, die mit einer elektrischen
Schaltung zusammenwirkt, wobei die Präzisionsmeßzelle
in Form eines mit voneinander beabstandeten Gegenelektroden,
die zwischen sich ein vorbestimmtes Meßmedienvolumen
festlegen, versehenen, vom flüssigen Medium durch
strömten Rohres ausgebildet ist, und mittels einer
elektrischen Steuerschaltung zwischen einer Speise
elektrode und den beidseitig dazu angeordneten Gegen
elektroden ein elektrischer Meßstrom in festgelegten
Strombahnen verlaufend ausgebildet wird, der zur
Bestimmung der Leitfähigkeit des das Rohr durchdringen
den Mediums an den zwischen der Speise- und wenigstens
einer Gegenelektrode angeordneten Meßelektrode in Form
einer Spannungsdifferenz abnehmbar ist.
In der Meeresforschung wird bei in situ-Messungen
der variable Salzgehalt des Meeres durch Berechnung
mittels einer empirischen Formel bestimmt, in die
als direkt zu messende Parameter der Druck, die Tempera
tur und die elektrische Leitfähigkeit eingehen. Im
Zuge der Möglichkeiten, die Temperatur in situ im
Meer mit Zeitauflösungen im Milisekundenbereich zu
messen, ist es notwendig geworden, auch die Meßge
schwindigkeit bezüglich des Parameters "elektrische Leit
fähigkeit" wesentlich zu erhöhen. Zur Lösung dieser für
viele Fälle dringend gewordenen Aufgabe der Meeres
forschung ist die sogenannte "Conductivity Cell" fort
entwickelt worden.
Bei solchen Fortentwicklungen lassen sich zwei Wegean
sätze unterscheiden. Bei einem als konventionell
zu bezeichnenden, wird die Meßzelle mit einem bekannten
Grundprinzip beibehalten, aber durch Fortentwicklungen
in der Ausführung eine weitere Zielannäherung erreicht,
wofür die vorbeschriebene Zelle ein Beispiel ist.
Dem zweiten Lösungsansatz wird durch neue Grundprin
zipien für den Entwurf einer die Forderungen erfüllen
den Präzisionszelle gesucht.
Eine Präzisionsmeßzelle der ersten Art ist bekannt (DE-OS
26 17 007), wobei diese vom Wasser außerhalb der
Zelle praktisch keine meßbare Beeinflussung erfährt.
Der Nachteil dieser Zelle ist aber, wenn diese eine
bestimmte Länge hat und wenn die Leitfähigkeit des
Meerwassers über eine Tiefenänderung von weniger als
der Länge der Zelle bereits Schwankungen aufweist,
daß die Stromverteilung von der Elektrode nach oben
und nach unten unsymmetrisch wird. Das hat zur Folge,
daß eine unter der Länge der Wassersäule entsprechend
der Länge der Meßsäule vorhandene Feinstruktur im
Salzgehalt des Meerwassers nicht gemessen werden kann.
Auch die anderen bekanntgewordenen konventionellen
Lösungen, die Leitfähigkeitsmessungen zu verbessern,
um die Schichtauflösungen im Meerwasser besser mitteln
zu können, kommen dem Ziel, Schichtauflösungen von
0,5 cm zu messen, nicht näher.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Präzisions
meßzelle zu schaffen, die es erlaubt, höhere vertikale
Schichtenauflösungen zu messen, als sie mit Temperatur
sensoren zur Messung der Temperatur des Meerwassers bisher
erreicht wurden.
Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch,
daß im meßelektrodenfreien Bereich zwischen der Speise
elektrode und einer Gegenelektrode durch elektronische
Steuerung ein elektrisch feldfreier Raum geschaffen wird,
so daß der elektrische Meßstrom vollständig in der dem
feldfreien Raum abgewandten Richtung durch die Meßzelle
zu Konstanthaltung des Meßstromes im Volumen seiner Strömung,
bei Schwankungen der elektrischen Leitfähigkeit des Mediums
fließt.
Mittels dieses Aufbaus wird erreicht, daß das Raumgebiet
zwischen den Elektroden elektrisch feldfrei gemacht wird,
so daß der Meßstrom über die Elektrode nur in Richtung
des unteren Teiles zu geerdeten Elektrode bzw. in das
äußere geerdete Meerwasser fließt, während der seiner
Richtung nach entgegengesetzte Strom von der oberhalb der Speise
elektrode liegenden Elektrode an die äußere Elektrode
bzw. zu dem oberen geerdeten äußeren Meerwasser fließt.
Mit dieser Anordnung wird somit vorteilhafterweise
erreicht, daß der im Raumgebiet zwischen den Abnahme
elektroden unterhalb der Speiseelektrode gemessene
Spannungsabfall nur von der Leitfähigkeit mit dessen
Mediums in dieser Schichtung abhängt. Die vertikale
Wasserschichtungsauflösung wird daher nur durch den
Elektrodenabstand der beiden Abnahmeelektroden bestimmt,
wobei dieser von der gesamten Dimensionierung der
Zelle abhängt und extrem klein ausgeführt werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Präzi
sionsmeßzelle fließt der elektrische Meßstrom von
einer Elektrode zu der ihr zugehörigen gegenüberliegen
den Elektrode senkrecht zur Fließrichtung des flüssigen
Mediums, wobei durch zusätzliche, übereinander parallel
angeordnete Elektrodenpaare ein gleichartiges elektri
sches Feld ober- und unterhalb des eigentlichen Meß
strombereiches ausgebildet wird, daß wenigstens im Gebiet
des Meßstromvolumens keine vertikalen, in Fließrichtung
des Mediums verlaufenden elektrischen Komponenten auf
treten, so daß das elektrische Feld zwischen
den Elektroden sehr homogen ist.
Vorteilhafterweise weist das Rohr einen rechteckigen
Querschnitt auf, wobei die eine Speiseelektrode der einen
Wand des Rohres und die ihr zugehörige Gegenelektrode an
der gegenüberliegenden Wand des Rohres ausgebildet
ist.
Vorzugsweise erfolgt ein elektrisch geerdeter Zellen
abschluß durch ein über den Rohröffnungen angebrachtes
dünndrahtiges Netz zur Festlegung der Lage der Gegen
elektroden.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die schema
tischen Zeichnungen anhand mehrerer Ausführungsbei
spiele eingehend beschrieben. Darin zeigt
Fig. 1 den Aufbau einer bekannten Leit
fähigkeitsmeßzelle der eingangs
beschriebenen Art,
Fig. 2 den schematischen Aufbau einer beanspruchten
Präzisionsmeß
zelle,
Fig. 3a und 3b die beanspruchte
Präzisionsmeßzelle mit zusätz
lichen Schaltungsmitteln zur
Schaffung eines elektrisch
feldfreien Raumes zwischen den
Elektroden bei größeren Durch
messern der Präzisionsmeß
zelle,
Fig. 4a und 4b eine andere Aus
führungsform der Präzisions
meßzelle mit rechteckigem Rohr
querschnitt,
Fig. 5 eine Draufsicht auf das in den
Fig. 4a und 4b dargestellte
Rohr der Präzisionsmeßzelle und
Fig. 6 zusätzliche Steuerschaltungen im
Zusammenwirken mit den Elektro
den der Präzisionsmeßzelle zur
Homogenisierung des elektrischen
Feldes.
In Fig. 1 ist schematisch der Aufbau einer bekannten
Leitfähigkeitsmeßzelle 10 dargestellt. Sie besteht
aus einem oben und unten offenen Rohr 11, durch das
z. B. beim Fieren das Seewasser hindurchströmt. Die
Messung erfolgt über Elektroden 12, 13, 14, von denen
die Speiseelektrode 14 vorzugsweise mit einem konstanten
Wechselstrom i const. gespeist wird. Die geerdeten
Gegenelektroden bilden 12 und 13. Sie sind im Regel
fall symmetrisch zu 14 angeordnet. Dadurch teilt sich
der einfließende Strom schematisch gemäß den darge
stellten Pfeilen nach oben 19 und nach unten 20 im
wesentlichen symmetrisch auf. Die Spannungsabfälle
an den Elektroden 15 und 16 bzw. 17 und 18 werden
dann zu ihrer Messung in einem angeschlossenen Strom
kreis ermittelt. Nach Kalibrierung der Zelle lassen
sich mit ihr die Bereiche von 0 bis 40% Salzgehalt
und den im Meer vorkommenden Temperaturverhältnissen
noch Auflösungen bis zu ein bis einigen µ S/cm.
Eine Zelle dieser Art erfährt vom Wasser außerhalb
der Zelle praktisch keine meßbare Beeinflussung. Zellen
dieser Art sind etwa 10 cm lang. Wenn die Leitfähigkeit
des Meerwassers über eine Tiefenänderung von weniger
als 10 cm bereits Schwankungen aufweist, kann davon
ausgegangen werden, daß die Stromverteilung von der
Speiseelektrode 14 nach oben und unten entsprechend den
gestrichelt gezeichneten Pfeilen unsymmetrisch wird.
Das bedeutet aber, daß selbst in dem Fall, in dem
z. B. die Leitfähigkeit zwischen den Elektroden 17
und 18 gemessen wird, der Meßwert durch die Leitfähig
keit des übrigen Meerwassers oberhalb der Elektroden
17 und 18 beeinflußt wird. Das heißt, eine unter der
Länge einer Wassersäule von 10 cm vorhandene Feinstruk
tur im Salzgehalt, kann nicht gemessen werden. Bei
einer Fiergeschwindigkeit von etwa 1 m/sek. entspricht
das einer Verschmierung von möglichen Feinstrukturen
über einen Zeitbereich von 100 msek. Mit den bekannten
Temperatursensoren lassen sich jedoch Zeitauflösungen
von etwa 4 bis 5 msek. erreichen, was bei einer Fier
geschwindigkeit von 1 m/sek. eine vertikale Schichten
auflösung von 0,5 cm erlaubt.
Die erfindungsgemäße Präzisionsmeßzelle ist in Fig.
2 schematisch dargestellt. Diese Zelle besteht unter
Anlehnung an die Bezeichnungen gemäß der in Fig. 1
dargestellten Leitfähigkeitszelle aus den geerdeten
Gegenelektroden 12 und 13, der Strom zuführenden Gegenelektrode
14 und den Elektroden 17 und 18, zwischen denen zur
Bestimmung der Leitfähigkeit die dort vorliegende
Spannungsdifferenz hochohmig abgenommen wird. Zum
entscheidenden Unterschied gegenüber der in Fig. 1
dargestellten Anordnung fehlen im oberen Teil über
der Speiseelektrode 14 die Elektroden 15 und 16. Dafür wird
eine neue Elektrode 21 zusätzlich angebracht. Dieser
Elektrode wird nun ein gesteuerter Wechselstrom zuge
führt, eventuell additiv, wobei die Steuerung so er
folgt, daß das Raumgebiet zwischen der Speiseelektrode
14 und der Elektrode 21 elektrisch feldfrei gemacht wird. Demzufolge
fließt der Meßstrom i const. über die Speiseelektrode 14
nur in Richtung der Pfeile im unteren Teil zur geerde
ten Elektrode 12 bzw. in das äußere geerdete Meer
wasser. Der seiner Richtung nach entgegengerichtete
Strom fließt von der Elektrode 21 zur Gegenelektrode 12
bzw. dem oberen geerdeten äußeren Meerwasser. Zur
Erzielung des elektrisch feldfreien Raumes zwischen
den Elektroden 14 und 21 wird irgendeine geeignete
Steuerschaltung benutzt.
Im in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird
die Steuerschaltung durch einen Operationsverstärker
22 realisiert, der durch den Spannungsabfall der Speiseelek
trode 14 gegen Erde zu einem konstanten Wechselstrom
i m in die Elektrode 21 über den Widerstand 23 einen
additiven oder substraktiven Strom zusätzlich so ein
speist, daß die Elektroden 21 und 14 stets auf gleichem
Potential liegen. Der Strom i m ist der für die Elektrode
21 benötigte Grundstrom. Dadurch wird die Steuerung
auf einen wesentlich kleineren Zusatzstrom beschränkt.
Mit dieser Anordnung wird daher erreicht, daß der
im Raumgebiet zwischen den Elektroden 17 und 18 ge
messene Spannungsabfall nur von der Leitfähigkeit
des Mediums in dieser Wasserschicht abhängt. Die verti
kale Wasserschichtauflösung wird daher nur durch
den Abstand der Elektroden 17 und 18 zwischen ein
ander bestimmt. Er hängt von der Gesamtdimensionierung
der Zelle ab und kann auch extrem klein gemacht werden.
Bei größeren Rohrdurchmessern und nur bei der Verwendung
von Ringelektroden und sogar nur von Teilen von diesen,
sowie durch Grenzschichtvorgänge an den Elektroden
14 und 21 kann es vorkommen, daß die Elektrode 21
zur Schaffung eines elektrischen feldfreien Raumes
zwischen den Elektroden 14 und 21 allein nicht aus
reicht. Für diese Fälle stellt die Darstellung von
Fig. 3 schematisch Ergänzungen durch die Elektroden
24 und 25 mit den Operationsverstärkern 26 und 27
und deren Widerständen 28 und 29 dar. Da diese Elektroden
nur sehr geringe zusätzliche Steuerströme benötigen,
i«i m , können sie an ihre Elektroden sehr hochohmig
angeschlossen und diese selbst hinsichtlich ihrer
geometrischen Oberfläche sehr klein ausgeführt werden.
Eine gewisse Abwandlung des Meßprinzips ergibt sich
gemäß in den Fig. 4a, b und Fig. 5 dargestellten Anord
nungen. Fig. 4a zeigt schematisch ein Rohr 11 mit
rechteckigem oder quadratischem Querschnitt. Dieses
Rohr hat die Kanten 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36 und 37. Es
wird beim Fieren in der Richtung von der geerdeten
Elektrode 38 und 39 durchströmt. Die Elektroden sind
so angeordnet, daß der Meßstrom i const. als Wechselstrom
in die Speiseelektrode 40 eingespeist wird und aus der Gegenelek
trode 41 wieder austritt. Der Meßstrom fließt bei
dieser Zelle daher quer zur Richtung des Wasserdurch
flusses. Die Meßelektroden, z. B. 42 und 43, die in
den Fig. 1 bis 3 den Abnahmeelektroden 17 und 18 ent
sprechen, sind also an den Querwänden des rechteckigen
Rohres 11 gegenüber der Stromdurchflußrichtung von
i const. von den Elektroden 40 nach 41 angebracht. Zusätz
lich und unabhängig davon können auch noch Abnahme
elektroden 44 und 45 angebracht werden. Sie können
auch paarweise mit Höhenunterschieden angebracht wer
den, wobei in diesem Falle dann Leitfähigkeitsdifferenz
messungen möglich würden.
Fig. 5 zeigt die gleiche Anordnung im Querschnitt
mit Blick von oben auf das Rohr 11 der Darstellungen
von Fig. 4a, b. Diese Anordnung kann auch mit symme
trischen Eingangsströmen an dem Elektrodenpaar 40
und 41 gespeist werden.
Um auch für solche Anordnungen zu erreichen, daß das
elektrische Feld zwischen den Elektroden 40 und 41
homogen ist, sind weitere Elektrodenpaare 46 und 47
sowie 48 und 49 angebracht. Sie können im Bedarfsfall
auf 48 bis 48 n und 49 bis 49 n erweitert werden. Die
Beschaltung erfolgt dann zur Homogenisierung des elek
trischen Feldes in erster Linie zwischen den Elektroden
40 und 41 durch Steuerschaltungen analog dem Beispiel
der Darstellungen von Fig. 2 und 3. Ein Realisierungs
beispiel zeigt schematisch die Fig. 6.
Grundprinzip der erfindungsgemäßen Präzisionsmeßzelle
ist, daß der Strombereich, über dessen Teilabschnitten
die Leitfähigkeitsmessung erfolgt, so streng homogen
gesteuert wird, daß im Falle der Ausführungsbeispiele
von Fig. 4 bis 6 keine vertikalen Stromkomponenten
auftreten. Das kann durch Korrekturen erreicht werden,
was gemäß der Darstellung von Fig. 6 lediglich für
die Elektrode 49 beispielhaft wiedergegeben worden
ist. Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform
fließt der zu messende Elektrolyt in Richtung des
Doppelpfeiles von unten nach oben. Der Strom der eigent
lichen Meßstrecke ist von der Elektrode 40 nach 41
gerichtet. Das Feld zwischen diesen Elektroden wird
zunächst schon mechanisch symmetrisch und präzise
ausgeführt. Eventuelle vertikale Querkomponenten werden
durch die Felder zwischen den Elektrodenpaaren 46
und 47 bzw. 48 und 49 und eventuellen weiteren unter
bunden. Reststörungen werden durch die Steuerung ausge
glichen, die im Beispiel der Darstellung von Fig.
6 durch den Operationsverstärker 50 und die Widerstände
51, 52 und 53 erfolgen.
Von den Dimensionierungsmöglichkeiten her gesehen,
kann eine Anordnung mit rechteckigem Querschnitt gewisse
Vorteile vor anderen bieten. Der Schutzumfang soll
auf die gewählten Beispiele der Figuren nicht beschränkt
sein. Auch sind für sie Anwendungen in Betracht zu
ziehen, die mit meereskundlichen Forschungsproblemen
in keinem Zusammenhang stehen.
Claims (4)
1. Präzisionsmeßzelle für Leitfähigkeitsmessungen flüssi
ger Medien, die mit einer elektrischen Schaltung
zusammenwirkt, wobei die Präzisionsmeßzelle in Form
eines mit voneinander beabstandeten Gegenelektroden,
die zwischen sich ein vorbestimmtes Meßmedienvolumen
festlegen, versehenen, vom flüssigen Medium durch
strömten Rohres ausgebildet ist, und mittels einer
elektrischen Steuerschaltung zwischen einer Speise
elektrode und den beidseitig dazu angeordneten Gegen
elektroden ein elektrischer Meßstrom in festgelegten
Strombahnen verlaufend ausgebildet wird, der zur
Bestimmung der Leitfähigkeit des das Rohr durchdringen
den Mediums an den zwischen der Speise- und wenigstens
einer Gegenelektrode angeordneten Meßelektrode in Form
einer Spannungsdifferenz abnehmbar ist, dadurch gekenn
zeichnet, daß im meßelektrodenfreien Bereich zwischen
der Speiseelektrode (14) und einer Gegenelektrode (12)
durch elektronische Steuerung ein elektrisch feld
freier Raum (19) geschaffen wird, so daß der elek
trische Meßstrom vollständig in der dem feldfreien
Raum abgewandten Richtung (20) durch die Meßzelle
(10), zur Konstanthaltung des Meßstromes im Volumen
seiner Strömung, bei Schwankungen der elektrischen
Leitfähigkeit des Mediums fließt.
2. Präzisionsmeßzelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der elektrische Meßstrom von einer
Speiseelektrode (40) zu der ihr zugehörigen gegenüber
liegenden Gegenelektrode (41) senkrecht zur Fließ
richtung des flüssigen Mediums fließt, wobei durch
zusätzliche, übereinander parallel angeordnete Elek
trodenpaare (46-46 n, 47-47 n; 48-48 n, 49-49 n) ein gleich
artiges elektrisches Feld ober- und unterhalb des
eigentlichen Meßstrombereiches ausbildbar ist.
3. Präzisionsmeßzelle nach einem oder beiden der
Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
Rohr einen rechteckigen Querschnitt aufweist, wobei
die eine Speiseelektrode (40) an der einen Wand des
Rohres (11) und die ihr zugehörige Gegenelektrode (41)
an der gegenüberliegenden Wand des Rohres (11) aus
gebildet ist.
4. Präzisionsmeßzelle nach einem oder mehreren der An
sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein
elektrisch geerdeter Zellenabschluß durch ein über den
Rohröffnungen angebrachtes dünndrahtiges Netz zur Fest
legung der Lage der Gegenelektroden (12, 13) erfolgt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19823238956 DE3238956A1 (de) | 1982-10-21 | 1982-10-21 | Praezisionszelle zur messung elektrolytischer widerstaende bzw. von leitfaehigkeiten |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19823238956 DE3238956A1 (de) | 1982-10-21 | 1982-10-21 | Praezisionszelle zur messung elektrolytischer widerstaende bzw. von leitfaehigkeiten |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3238956A1 DE3238956A1 (de) | 1984-04-26 |
DE3238956C2 true DE3238956C2 (de) | 1987-07-02 |
Family
ID=6176238
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19823238956 Granted DE3238956A1 (de) | 1982-10-21 | 1982-10-21 | Praezisionszelle zur messung elektrolytischer widerstaende bzw. von leitfaehigkeiten |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3238956A1 (de) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4214594C2 (de) * | 1992-05-03 | 1994-07-07 | Roland Dr Ing Emmrich | Verfahren zur Herstellung eines Sensors, der die Erzeugung geometrisch sehr genau abgegrenzter elektrischer Felder erlaubt, und Sensor |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3878456A (en) * | 1973-10-09 | 1975-04-15 | Westinghouse Electric Corp | Standard conductivity cell for measurement of sea water salinity and temperature |
DE2617007A1 (de) * | 1976-04-17 | 1977-10-27 | M E Meerestechnik Elektonik Gm | Durchstroemte messzelle zur bestimmung der elektrischen leitfaehigkeit von fluessigkeiten |
-
1982
- 1982-10-21 DE DE19823238956 patent/DE3238956A1/de active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3238956A1 (de) | 1984-04-26 |
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