DE3238956C2 - - Google Patents

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.