DE10012938A1

DE10012938A1 - Anordnung zur Messung der lokalen elektrischen Leitfähigkeit und Temperatur in Fluiden

Info

Publication number: DE10012938A1
Application number: DE2000112938
Authority: DE
Inventors: Dieter Baldauf; Horst-Michael Prasser; Jochen Zschau
Original assignee: Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2000-03-16
Filing date: 2000-03-16
Publication date: 2001-10-04
Anticipated expiration: 2020-03-17
Also published as: WO2001069224A1; DE10012938C2

Abstract

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Messesysteme für Leitfähigkeits- und Temperaturmessung so zu verkleinern und aufeinander abzustimmen, dass beide Messungen weitestgehend am gleichen geometrischen Ort erfolgen können und somit eine höchstmögliche Messgenauigkeit für die um den Temperatureinfluss korrigierte Leitfähigkeit erzielt wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass als zentrale Messelektrode einer koaxial aufgebauten Nadelsonde ein sehr dünnes isoliertes Mantelthermoelement eingesetzt wird. Der Metallmantel (1) des Thermoelements (3) und die äußere Elektrode der Leitfähigkeitssonde sind aus gleichem Material gefertigt. Der Mantel (1) des Thermoelements (3) dient als zentrale Messelektrode für die Leitfähigkeitsmessung. Ein Draht (6) des Thermoelementes (3) und die äußere Elektrode der Leitfähigkeitssonde sind für die Messwertgewinnung auf gleiches Bezugspotential geschaltet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung 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 bestimmt werden sollen. Die gemessene, meist temperaturabhängige 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 Flüssigkeiten und Mehrphasengemischen, z. B. der Konzentrationsverteilung, wird verbreitet die Messung der elektrischen Leitfähigkeit verwendet. Dazu bringt man sowohl bei Laboreinrichtungen als auch bei großtechnischen Anwendungen 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 Temperaturgradienten in dem Medium messen zu können, wird oft parallel zur Leitfähigkeitsmessung die Temperatur gemessen. Dabei gelingt es nicht bei der Blasendetektion, eine Temperaturmesseinrichtung in unmittelbarer Nähe der Leitfähigkeitssonde so zu positionieren, dass Leitfähigkeit und Temperatur in einem kleinen Blasenvolumen gemessen werden.

Bei einer koaxialen Konstruktion (DD 2 40 956) wird die zentrale Elektrode der Leitfähigkeitssonde als Rohr ausgeführt, in das ein Transistor als Thermosonde ein geklebt ist. Damit kann die Leitfähigkeit und die Temperatur am gleichen Ort gemes sen werden. Durch die Verwendung eines Transistors im SOT23-Gehäuse wird diese Konstruktion aber relativ groß, sodass die Messergebnisse verfälscht oder der Einsatz überhaupt nicht möglich ist.

Diese Nachteile werden mit der technischen Lösung nach DD 2 58 283, bei der ein konventionelles Thermoelement als Thermosonde im Inneren der zentralen Hohlelektrode 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 befriedigt.

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 erfolgen können und somit eine höchstmögliche Messgenauigkeit für die um den Temperatureinfluss korrigierte Leitfähigkeit erzielt wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass als zentrale Messelektrode einer koaxial aufgebauten Nadelsonde ein sehr dünnes isoliertes Mantelthermoele ment eingesetzt wird. Der Metallmantel dieses Thermoelements und die äußere Elektrode der Leitfähigkeitssonde sind aus gleichem Material gefertigt. Der Mantel des Thermoelementes dient als zentrale Messelektrode für die Leitfähigkeitsmessung und ein Draht des Thermoelementes und die äußere Elektrode der Leitfähigkeitssonde sind für die Messwertgewinnung auf gleiches Bezugspotential geschaltet. Durch diese Anordnung ist sowohl die Leitfähigkeits- und Temperaturmessung am gleiche geometrischen Ort gegeben. 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 Bezugspotential geschaltet werden, wird eine Verfälschung der Auswertung infolge von Ausgleichsströmen zwischen beiden 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 einigen Zehntelmillimetern kann man sehr schlanke Nadelsondenkonstruktionen und Temperaturmessungen mit einer hohen zeitlichen Auflösung erzielen. Diese Lö sung ist sowohl bei koaxialen Zwei- als auch bei Mehrelektrodenkonstruktionen ein setzbar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Die zugehörige Zeichnung zeigt den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen koaxialen Nadelsonde mit einem Mantelthermoelement als Messelektrode.

Die Sonde besteht aus dem isolierten Mantelthermoelement, mit Metallmantel 1, Isolation 2 und Thermoelement 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 Verbindung 7 ist konstruktiv so zu gestalten, dass kein zusätzliches Thermoelement entsteht.

Für die Leitfähigkeitsmessung wird der Strom zwischen dem Metallmantel 1 des Thermoelementes 3 und der äußeren Bezugselektrode 5 auf Grund der an den Me tallmantel 1 angelegten Spannung niederohmig gemessen. Dieser Strom ist bei kon stanter Spannung an der Messelektrode und konstanten Umgebungsbedingungen eine Funktion der Leitfähigkeit des Mediums, in dem sich die Elektroden befinden. Die Temperaturmessung erfolgt zwischen dem auf Bezugspotential geschalteten Draht 6 und dem freien Draht 8 des Thermoelementes 3, wobei die Drähte 6 und 8 außerhalb 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 realisieren. Dadurch ist es z. B. bei der Leitfähigkeitsmessung in Wasser-Dampf gemischen möglich, exakte Temperaturgradienten an den Stellen der Leitfähigkeits messung zu ermitteln, im Inneren von Blasen die Temperatur zu messen oder nicht kondensierbare Gase nachzuweisen.

Mit der dargestellten Konstruktion erhält man einen Mehrfunktionssensor, mit dem die lokale Leitfähigkeits- und Temperaturmessung an der gleichen Stelle erfolgt, eine gegenseitige Beeinflussung der Messsysteme ausgeschlossen und eine hohe Mess genauigkeit erreicht wird, wie sie bei getrennten Messsystemen nicht möglich ist.

Claims

1. Anordnung zur Messung der lokalen elektrischen Leitfähigkeit in Fluiden, bestehend aus einer koaxial aufgebauten Nadelsonde, die sich aus einem Thermoelement und mindestens zwei weiteren dieses umschließenden Elektroden zusammensetzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (1) eines Thermoelementes (3) die zentrale Messelektrode einer Nadelsonde bildet und dass der Mantel (1) des Thermoelementes (3) und die äußere Elektrode als Bezugselektrode (5) der Nadelsonde aus gleichem Material bestehen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Elektrode der Nadelsonde als Bezugselektrode (5) und ein Draht (6) des Thermoelementes (3) mittels einer Verbindung (7) auf gleiches elektrisches Po tential gelegt sind, das den Bezug sowohl für Temperatur- als auch für Leitfähigkeitsmessung bildet.