DE102005026052B3

DE102005026052B3 - Leitfähigkeitsmesszelle, Leitfähigkeitsmessvorrichtung sowie Verfahren zur Leitfähigkeitsmessung

Info

Publication number: DE102005026052B3
Application number: DE200510026052
Authority: DE
Inventors: Holger Schröter
Original assignee: Gestra AG
Current assignee: Gestra AG
Priority date: 2005-06-07
Filing date: 2005-06-07
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2025-06-08
Also published as: WO2006131261A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leitfähigkeitsmesszelle 31 für Fluide 48 mit einem Grundkörper 32, 54, mindestens zwei voneinander beabstandeten gegeneinander elektrisch isolierten Stromelektroden 49, 50 und mindestens zwei voneinander und von den Stromelektroden 49, 50 beabstandeten, gegeneinander und gegen die Stromelektroden 49, 50 elektrisch isolierten Spannungselektroden 51, 52. Um die Anfälligkeit der Messzelle gegen asymmetrische Verschmutzung der Elektroden zu reduzieren, sind unisolierte Abschnitte 61 der Spannungselektroden 51, 52 aus dem Grundkörper 32 bzw. einem die jeweilige Spannungselektrode zumindest teilweise umgebenden Isolator 63 herausragend ausgebildet. DOLLAR A Die Erfindung betrifft ferner eine Leitfähigkeitsmessvorrichtung mit einer derartigen Leitfähigkeitsmesszelle. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein entsprechendes Verfahren zur Leitfähigkeitsmessung mit einer derartigen Leitfähigkeitsmesszelle.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leitfähigkeitsmesszelle für Fluide mit einem Grundkörper, mindestens zwei voneinander beabstandeten, gegeneinander elektrisch isolierten Stromelektroden und mindestens zwei voneinander und von den Stromelektroden beabstandeten, gegeneinander und gegen die Stromelektroden elektrisch isolierten Spannungselektroden. Ferner betrifft die Erfindung eine Leitfähigkeitsmessvorrichtung mit Mitteln zum Anlegen eines elektrischen Stroms bekannter Stärke an eine Leitfähigkeitsmesszelle und Mitteln zum Messen einer zwischen den Spannungselektroden einer Leitfähigkeitsmesszelle anliegenden Spannung mit einer derartigen Leitfähigkeitsmesszelle. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Leitfähigkeitsmessung mit den Schritten: In-Kontakt Bringen aller Spannungselektroden und aller Stromelektroden einer Leitfähigkeitsmesszelle mit einem leitfähigen Fluid, Beaufschlagen der Stromelektroden mit einem elektrischen Strom bekannter Stärke und Messen der Spannung zwischen den Spannungselektroden, um einen ersten Spannungsmesswert zu erhalten.

Leitfähigkeitsmessungen von Fluiden finden in verschiedenen Bereichen der Technik statt. Von besonderer Bedeutung ist eine Leitfähigkeitsmessung von Fluiden, die in Kesseln gelagert bzw. behandelt werden, da durch die Messung der Leitfähigkeit bspw. der Salzgehalt eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, bestimmt werden kann. Dies ist insbesondere zur Vermeidung von Schäden an dem Kessel oder an sonstigen mit dem Fluid in Berührung tretenden Einrichtungen vorteilhaft. Wird ein zu hoher Salzgehalt durch Messung der Leitfähigkeit festgestellt, erfolgt in derartigen Anlagen beispielsweise eine Verdünnung des Fluids, bspw. mit Wasser.

Die Messung der Leitfähigkeit von Fluiden kann jedoch auch in weiteren technischen Bereichen angewandt werden.

Aus DE 199 46 315 C2 ist zum Beispiel eine Leitfähigkeitsmesszelle nach dem Stand der Technik bekannt, in der in einem Grundkörper Strom- und Spannungselektroden angeordnet sind.

1 zeigt den Aufbau einer Leitfähigkeitsmesszelle gemäß dem Stand der Technik in einer schematischen Ansicht auf die Stirnseite der Messzelle 11. Diese Messzelle 11 weist einen Grundkörper 12 auf, in den ein erstes Elektrodenpaar 13, 14, nämlich ein Stromelektrodenpaar, sowie ein zweites Elektrodenpaar 15, 16, nämlich ein Spannungselektrodenpaar, eingelassen ist.

Die Stromelektroden 13, 14 sowie die Spannungselektroden 15, 16 sind jeweils als kreisrunde Flächen ausgebildet, die in derselben Ebene liegen wie die Stirnfläche des Grundkörpers 12.

Die auf diese Weise gebildet Messzelle 11 wird in das Fluid eingetaucht. Sodann kann die Leitfähigkeit des Fluids wie folgt gemessen werden: Die Stromelektroden 13, 14 werden mit einem bekannten Strom beaufschlagt, so dass sich ein elektrisches Feld entlang der ausgezogen dargestellten Feldlinien 17 zwischen den Stromelektroden 13, 14 ausbildet. Senkrecht zu den Feldlinien 17 ergeben sich gestrichelt dargestellte Äquipotentiallinien 18. Wie sich aus 1 ergibt, liegen die Spannungselektroden auf unterschiedlichen Äquipotentiallinien, so dass an ihnen eine Potentialdifferenz bzw. eine elektrische Spannung ψ gemessen werden kann.

Die zwischen den Spannungselektroden 15, 16 gemessene Spannung hängt von der Leitfähigkeit des Mediums ab, da die Leitfähigkeit die Ausbildung der Äquipotentiallinien beeinflusst.

Dieses 4-Elektrodenmessprinzip, bei dem sowohl die Spannung durch die Spannungselektroden 15, 16 als auch der Strom durch die Stromelektroden 13, 14 getrennt voneinander gemessen werden, hat den Vorteil, dass Polarisationseffekte und eine Verschmutzung der Elektroden, wenn sie symmetrisch oder als gleichmäßiger Überzug auftritt, das Messergebnis weitgehend unbeeinflusst lassen.

Bei einer asymmetrischen Verschmutzung der Messflächen der Elektroden, insbesondere der Spannungselektroden 15, 16 kommt es jedoch zu einer Verschiebung der gemessenen Spannung ψ. Dieser Effekt ist in 2 dargestellt. Die Spannungselektrode 15 weist eine sichelförmige, schwarz dargestellte Verschmutzung 19 auf, so dass nur noch ein kleinerer, insbesondere entlang einer der Feldlinien 17 verschobener Bereich 20, der weitgehend von der Verschmutzung frei geblieben ist, messwirksam ist.

Die zwischen den Spannungselektroden 15, 16 in diesem Fall der Verschmutzung gemessene Spannung beträgt nunmehr ψ + Δψ. Das heißt die gemessene Spannung ist um den Wert Δψ zu groß, was zu einem Fehler bei der Ermittlung der Leitfähigkeit führt.

Die in 2 dargestellte Verschmutzung 19 kann nicht nur die Spannungselektrode 15, sondern auch die anderen Elektroden 13, 14 und 16 alternativ oder kumulativ betreffen, wodurch sich die genannten Fehler bei der Leitfähigkeitsmessung ggf. addieren können, was zu einer noch signifikanteren Auswirkung dieses Fehlers führt.

3 zeigt eine verschmutzte Stromelektrode 13, bei der die verschmutzte Fläche mit der Bezugsziffer 21 dargestellt ist. Durch eine derartige, in 3 dargestellte sichelförmige Verschmutzung 21 der Stromelektrode 13 kommt es zu einer Stauchung der Äquipotentiallinien 18, wobei in 3 die gestauchten Äquipotentiallinien 18 wiederum als gestrichelte Linien dargestellt sind, während – der Vergleichbarkeit halber – der ursprüngliche Verlauf der Äquipotentiallinien in 3 in ausgezogenen Linien dargestellt ist.

Diese Stauchung der Äquipotentiallinien 18 setzt sich nicht-linear bis zur gegenüberliegenden Stromelektrode 14 fort, wobei diese Stauchung und damit Verschiebung der Äquipotentiallinien 18 im Bereich der verschmutzten Stromelektrode 13 am größten ist.

Infolge dieser Nichtlinearität kommt es ebenfalls zu einer Verschiebung bzw. zu einem Messfehler der gemessenen Spannung. Dieser Messfehler ergibt sich zu Δψ1 – Δψ2.

Die vorgenannten durch asymmetrische Verschmutzung bedingten Effekte sind nachteilig, da sie die Genauigkeit der Messergebnisse reduzieren, d.h. zu Messfehlern führen.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, die durch derartige Verschmutzungen bedingten Messfehler zu vermindern.

Die Erfindung löst dieses Problem bei einer Leitfähigkeitsmesszelle der eingangs genannten Art dadurch, dass je ein unisolierter Abschnitt der Spannungselektroden aus dem Grundkörper bzw. einem die jeweilige Spannungselektrode zumindest teilweise umgebenden Isolator herausragt. Die Erfindung löst dieses Problem ferner durch eine Leitfähigkeitsmessvorrichtung der eingangs genannten Art, die eine derartige erfindungsgemäße Leitfähigkeitsmesszelle aufweist. Schließlich löst die Erfindung dieses Problem durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem eine derartige Leitfähigkeitsmesszelle verwendet wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass entscheidend für die Anfälligkeit einer Messzelle gegenüber asymmetrischen Verschmutzungen das Verhältnis des Abstandes der Stromelektroden zum Durchmesser der jeweiligen Strom- bzw. Spannungselektroden ist. Je größer dieses Verhältnis ist, desto kleiner ist die Anfälligkeit gegenüber asymmetrischer Verschmutzung. Die Erfindung optimiert dieses Verhältnis, indem die Stirnflächen und damit die Durchmesser der Spannungselektroden dadurch verringert werden, dass die Spannungselektroden aus dem Grundkörper herausragen. Hierdurch kann nämlich auch die Mantelfläche der Spannungselektroden in Kontakt mit dem Fluid gebracht werden, so dass die Gesamtfläche, die mit dem Fluid in elektrischer Verbindung steht, nicht verkleinert wird. Auch der Abstand der Spannungselektroden zueinander bleibt weitestgehend unverändert. Durch diese Maßnahme kann das Verhältnis des Abstandes der Stromelektroden zum Durchmesser der Strom- bzw. Spannungselektroden deutlich verbessert werden, so dass die Anfälligkeit gegenüber Messfehlern infolge asymmetrischer Verschmutzung signifikant reduziert werden kann.

Die 4 und 5 zeigen den prinzipiellen erfindungsgemäßen Aufbau in Analogie zu den 1 bis 3. Die 4 und 5 unterscheiden sich voneinander lediglich durch eine geringfügige Abweichung der Elektrodendurchmesser, so dass der Einfachheit halber nachfolgend gleiche Bezugsziffern verwendet werden. In den 4 und 5 weist wiederum eine Messzelle 31 einen Grundkörper 32 mit einem Stromelektrodenpaar 33, 34 und einem Spannungselektrodenpaar 35, 36 auf, wobei sich zwischen den Stromelektroden 33, 34 Feldlinien 37 ausbilden, auf denen Äquipotentiallinien 38 senkrecht stehen. Die 4 und 5 zeigen, dass eine Verschmutzung 39 der Spannungselektrode 35 nur ein sehr kleines Δψ bewirkt. Dies liegt daran, dass der Durchmesser der Spannungselektrode sehr klein ist. Dies ist dadurch ermöglicht worden, dass die Messfläche der Elektroden nicht nur durch die kreisförmige Stirnfläche der Elektroden gebildet wird, sondern auch durch die Mantelfläche der aus dem Grundkörper 32 bzw. einem die Elektroden zumindest teilweise umgehenden Isolator herausragenden Elektroden. Auf diese Weise kann der Durchmesser der Elektroden gegenüber der in den 1 bis 3 gezeigten Messzelle verkleinert werden, ohne dabei die Messflächengröße wesentlich zu verändern.

Aufgrund des sehr viel kleineren Durchmessers der Elektroden kommt es bei einer asymmetrischen Verschmutzung dieser Elektroden nur zu einer geringfügigen Verschiebung der jeweiligen Potentialdifferenz, was in den 4 und 5 durch ein geringes Δψ dargestellt ist. Da die benötigte Messflächengröße nicht nur durch die Stirnfläche der Elektrode, sondern auch durch ihre entsprechende Mantelfläche gebildet wird, ist diese Mantelfläche nicht gegen das Fluid bzw. die Umgebung isoliert, sondern tritt mit dem Fluid in elektrischen Kontakt.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist unter einer Leitfähigkeitsmesszelle nicht notwendigerweise ein kappenförmiger bzw. becherförmiger Aufbau zu verstehen, bei dem die Elektroden von einer Kappe bzw. einem Becher umgeben sind. Vielmehr kann eine Leitfähigkeitsmesszelle auch steckerartig aufgebaut sein, so dass die Elektroden direkt in den Behälter hineinragen. Obwohl die Elektroden unisoliert aus dem Grundkörper bzw. dem jeweiligen Isolator herausragen, sind die Elektroden untereinander elektrisch isoliert, so dass der Widerstand zwischen den Elektroden jeweils über 0,1 MΩ (Mega-Ohm), ggf. aber auch über 1, 10 oder 100 MΩ liegt.

Unter „Herausragen" der Elektroden aus dem Grundkörper bzw. dem jeweiligen Isolator ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung zu verstehen, dass die Mantelfläche eines die jeweilige Elektrode repräsentierenden Ausgleichszylinders größer ist als die Stirnfläche dieses Ausgleichszylinders, wobei der Ausgleichszylinder durch der Minimierung der Fehlerquadrate der jeweiligen Oberflächenpunkte der Elektroden ermittelt wird, um auf diese Weise zu einem gedachten Ausgleichszylinder zu gelangen. Bei zylinderförmigen Elektroden fällt der Ausgleichszylinder allerdings mit den tatsächlichen Abmessungen der zylinderförmigen Elektrode zusammen.

Wenn daher im folgenden von der Länge oder dem Durchmesser von Strom- oder Spannungselektrode gesprochen wird, sind stets die Länge oder der Durchmesser des Ausgleichszylinders bzw. eines tatsächlichen Elektrodenzylinders gemeint.

Eine auf diese Art und Weise ausgebildete Leitfähigkeitsmesszelle ermöglicht es, das Verhältnis von Abstand der Stromelektroden zum Durchmesser der Messelektroden stark zu erhöhen, wodurch die Anfälligkeit der Messzelle gegenüber asymmetrischer Verschmutzung der Elektroden signifikant verringert wird. Hierdurch reduziert sich auch der Wartungsaufwand derartiger Leitfähigkeitsmessungen erheblich.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ragen nicht nur die Spannungselektroden aus dem Grundkörper bzw. aus dem jeweiligen Isolator heraus, sondern auch die Stromelektroden. Die im Zusammenhang mit den Spannungselektroden beschriebenen Vorteile im Hinblick auf die geringere Auswirkung in Bezug auf Verschmutzungen gelten somit auch für die Stromelektroden, so dass bei einer derartigen Ausbildung sowohl der Spannungselektrode als auch der Stromelektroden als aus dem Grundkörper bzw. dem jeweiligen Isolator herausragende Elektroden eine besonders geringe Anfälligkeit gegen Elektrodenverschmutzung erreicht wird.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ragen die Spannungselektroden und/die Stromelektroden um mehr als 2 mm, insbesondere um mehr als 3 mm, insbesondere um mehr als 4 mm und insbesondere um mehr als 5 mm aus dem Grundkörper bzw. dem jeweiligen Isolator heraus. Vorteilhaft ist ferner, dass die Spannungselektroden und/oder die Stromelektroden um weniger als 15 mm, insbesondere um weniger als 10 mm, insbesondere um weniger als 7 mm aus dem Grundkörper bzw. dem jeweiligen Isolator herausragen. Idealerweise hat sich eine Länge von 5 mm der aus dem Grundkörper bzw. dem jeweiligen Isolator herausragenden Elektroden ergeben.

Vorteilhafterweise sind die Spannungselektroden und/oder die Stromelektroden derart ausgebildet, dass sie einen Durchmesser von mindestens 0,6 mm, insbesondere einen Durchmesser von mehr als 1 mm aufweisen. Vorteilhafterweise weisen die Spannungselektroden und/oder die Stromelektroden einen Durchmesser von unter 3 mm, insbesondere von unter 1,8 mm auf. Es hat sich gezeigt, dass idealerweise der Durchmesser im Bereich von 1,2 mm bis 1,5 mm liegt.

Vorteilhafterweise liegt das Verhältnis von Länge des aus dem Grundkörper bzw. dem jeweiligen Isolator herausragenden Abschnitts der jeweiligen Elektrode zum Durchmesser der betreffenden Elektrode im Bereich von 3:1 bis 5:1, insbesondere im Bereich von 4:1. Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis vom kürzesten Abstand der Spannungselektroden und/oder der Stromelektroden zueinander zur Länge des aus dem Grundkörper bzw. dem jeweiligen Isolator herausragenden Abschnitts der jeweiligen Elektrode im Bereich von 4:1 bis 5:1, insbesondere im Bereich von 22:5 liegt.

Bevorzugterweise haben die Stromelektroden und die Spannungselektroden den gleichen Durchmesser. Ferner sind die Stromelektroden und die Spannungselektroden gegeneinander nicht-verschiebbar mechanisch am Grundkörper fixiert. Dies hat den Vorteil, dass die geometrischen Verhältnisse an den Elektroden konstant bleiben.

Vorzugsweise haben die Stromelektroden und/oder die Spannungselektroden eine gerade Zylinderform, insbesondere Kreiszylinderform. Eine derartige Ausbildung hat sich als besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Gleichmäßigkeit und Berechenbarkeit der Ergebnisse erwiesen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Stromelektroden und/oder die Spannungselektroden zapfenartig ausgebildet. Auch eine derartige Ausbildung der Elektroden ist vorteilhaft im Hinblick auf die Gleichmäßigkeit und Berechenbarkeit der Messergebnisse.

Bei einer weiteren Ausführungsform verlaufen die Stromelektroden und/oder die Spannungselektroden parallel zueinander. Sofern die Elektroden nicht kreiszylinderförmig ausgebildet sind, soll hierunter verstanden werden, dass die Schwerpunktlinien von Ausgleichszylindern der jeweiligen Elektroden parallel zueinander verlaufen.

Bei einer alternativen Ausführungsform verlaufen die Stromelektroden und/oder die Spannungselektroden windschief zueinander. Eine derartige Ausgestaltung hat fertigungstechnische Vorteile im Hinblick auf die Befestigung der Elektrodenstäbe in einer Messvorrichtung.

Vorteilhafterweise ist der Grundkörper gegen das Eindringen von Fluid, insbesondere von Flüssigkeiten abgedichtet. Hierdurch werden Leckagen im Bereich der Messeinrichtung vermieden.

Vorteilhafterweise sind die Stromelektroden und die Spannungselektroden derart angeordnet, dass dann, wenn die Leitfähigkeitsmesszelle in ein leitfähiges Fluid taucht und an die Spannungselektroden ein elektrischer Strom angelegt wird, zwischen den Stromelektroden eine Spannung anliegt, die gleich der Spannung ist, die zwischen den Spannungselektroden anliegt, wenn an die Stromelektroden der gleiche elektrische Strom angelegt wird.

Eine derartige Ausbildung ermöglicht auf einfache Weise eine Verschmutzungserkennung durch Umkehr der Elektrodenpaare. Ergibt sich nämlich nach einer Umkehr der Elektrodenpaare ein anderes Messergebnis als zuvor, dann liegt eine signifikante Verschmutzung vor, die signalisiert, dass die Messzelle gereinigt werden muss.

Vorteilhafterweise sind zwei Stromelektroden und zwei Spannungselektroden derart vorgesehen, dass die Stromelektroden und die Spannungselektroden parallel zueinander verlaufen, so dass der Mittelpunkt der Verbindungsstrecke der Stromelektroden mit dem Mittelpunkt der Verbindungsstrecke der Spannungselektroden zusammenfällt und dass beide Verbindungsstrecken gleich lang sind. Auf diese Weise erhält man eine symmetrische Ausgestaltung der Messzelle in Bezug auf die Stromelektrodenpaare und Spannungselektrodenpaare, so dass eine Vertauschung der Stromelektrodenpaare gegen die Spannungselektrodenpaare im verschmutzungsfreien Fall oder im Falle einer gleichmäßigen Elektrodenverschmutzung gleiche Ergebnisse liefert und lediglich im Falle der asymmetrischen Verschmutzung unterschiedliche Messergebnisse zustande kommen.

Eine bevorzugte Leitfähigkeitsmessvorrichtung weist eine Steuerung zum Erfassen der Stärke des an die Leitfähigkeitsmesszelle angelegten Stromes, zum Erfassen der zwischen den Spannungselektroden der Leitfähigkeitsmesszelle anliegenden Spannung und zum Errechnen eines ersten elektronischen Leitfähigkeitswertes aus der Stromstärke und dieser Spannung auf, welcher die Leitfähigkeit des Fluids repräsentiert. Auf diese Weise kann unmittelbar mit der Messvorrichtung die Leitfähigkeit ermittelt und ggf. dargestellt werden.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Leitfähigkeitsmessvorrichtung sind vorgesehen: Mittel zum Anlegen eines Stroms an die Spannungselektroden, Mittel zum Messen einer zwischen den Stromelektroden anliegenden Spannung und eine Steuerung zum Erfassen der Stärke des an die Spannungselektroden angelegten Stroms, zum Erfassen der zwischen den Stromelektroden der Leitfähigkeitsmesszelle anliegenden Spannung und zum Errechnen eines zweiten elektrischen Leitfähigkeitswertes aus dieser Stromstärke und dieser Spannung, wobei die Steuerung ausgebildet ist, um den ersten elektrischen Leitfähigkeitswert und den zweiten elektrischen Leitfähigkeitswert auszugeben. Unter Ausgeben" ist hierbei jedes Mitteilen, insbesondere Anzeigen oder Senden eines elektrischen Signals, nach außen zu verstehen.

Vorteilhafterweise ist die Steuerung derart ausgebildet, um eine Meldung auszugeben, wenn (i) der erste elektrische Leitfähigkeitswert um einen vorbestimmten relativen Anteil kleiner ist als der zweite elektrische Leitfähigkeitswert oder (ii) der zweite elektrische Leitfähigkeitswert um einen vorbestimmten relativen Anteil kleiner ist als der erste elektrische Leitfähigkeitswert. Auf diese Weise kann automatisch eine Meldung bei Erkennung einer signifikanten Verschmutzung der Elektroden ausgegeben werden.

Vorteilhafterweise ist die Steuerung ferner derart ausgebildet, um in einem vorgegebenen zeitlichen Abstand einen Strom an die Spannungselektroden anzulegen, eine zwischen den Stromelektroden anliegende Spannung zu messen, daraus einen zweiten elektrischen Leitfähigkeitswert zu berechnen und eine Meldung auszugeben, wenn (i) der erste elektrische Leitfähigkeitswert um einen vorbestimmten relativen Anteil kleiner ist als der zweite elektrische Leitfähigkeitswert oder (ii) der zweite elektrische Leitfähigkeitswert um einen vorbestimmten relativen Anteil kleiner ist als der erste elektrische Leitfähigkeitswert. Auf diese Weise kann die automatische Verschmutzungserkennung automatisiert periodisch durchgeführt werden, um in regelmäßigen Abständen zu überprüfen, ob eine etwaige Reinigung oder Wartung der Messeinrichtung erforderlich ist.

In entsprechender Weise ist bei einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Berechnen einer ersten elektrischen Leitfähigkeit unter Verwendung des ersten Spannungsmesswertes und des Wertes der bekannten Stromstärke bzw. eines gemessenen Wertes des Stromes vorgesehen. Vorteilhafterweise werden bei dem Verfahren folgende weitere Schritte eingesetzt: Beaufschlagen der Spannungselektrode mit einem elektrischen Strom bekannter Stromstärke, Messen der Spannung zwischen den Stromelektroden, um einen zweiten Spannungsmesswert zu erhalten, Berechnen einer zweiten elektrischen Leitfähigkeit des Fluids unter Verwendung des zweiten Spannungsmesswertes und des Wertes der bekannten Stromstärke bzw. eines gemessenen Wertes des Stromes, und Ausgeben einer Meldung, wenn (i) die erste elektrische Leitfähigkeit des Fluids um einen vorgegebenen relativen Anteil unter der zweiten elektrischen Leitfähigkeit des Fluids oder (ii) die zweite elektrische Leitfähigkeit des Fluids um einen vorgegebenen relativen Anteil unter der ersten elektrischen Leitfähigkeit des Fluids liegt.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus den anhand der beigefügten Zeichnung näher erläuterten Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zeigt:
1 eine schematische Ansicht der Stirnseite einer Messzelle gemäß dem Stand der Technik;
2 die Messzelle gemäß 1 mit einer verschmutzten Spannungselektrode;
3 die Messzelle gemäß 1 mit einer verschmutzten Stromelektrode;
4 eine schematische Darstellung der Stirnseite einer Messzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 eine schematische Darstellung der Stirnseite einer Messzelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 eine seitliche Schnittansicht einer Leitfähigkeitsmessvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Leitfähigkeitsmesszelle gemäß 5;
7 eine Schnittansicht entlang des Schnittes VII-VII gemäß 6;
8 eine Schnittansicht entlang des Schnittes VIII-VIII gemäß 6;
9 eine Schnittansicht entlang des Schnittes IX-IX gemäß 6; und
10 eine seitliche Schnittansicht durch eine Elektrode samt Anschlusselementen.
1 bis 5 wurden bereits einleitend erläutert, so dass auf obige Ausführungen verwiesen wird.
6 zeigt eine 4-Elektrodenleitfähigkeitsmessvorrichtung bzw. Messsonde 41 in einer seitlichen Schnittansicht mit einer Messzelle 42, die in 6 auch in einer vergrößerten Ansicht dargestellt ist.
Die Messsonde 41 weist ein Gehäuse 43 auf, das ein Außengewinde 44 sowie ein Außensechskant 45 zum Einschrauben des Gehäuses in einen Behälter 46 aufweist. In diesem Behälter befindet sich bis zu einer Füllstandshöhe 47 ein Fluid 48, dessen Leitfähigkeit mittels der Sonde 41 zu bestimmen ist.
Die Sonde 41 weist hierzu ein Stromelektrodenpaar 49, 50 sowie ein Spannungselektrodenpaar 51, 52 auf, wobei jeweils nur eine der beiden Elektroden in 6, jedoch die jeweils beiden anderen Elektroden in den 7 bis 9 dargestellt sind. Die Verbindungslinien der Mittelpunkte der Stromelektroden 49, 50 einerseits sowie die Verbindungslinie der Spannungselektroden 51, 52 andererseits schneiden sich in einem Punkt, wie in 7 dargestellt.
Die Stromelektroden 49, 50 und Spannungselektroden 51, 52 sind im Bereich zwischen dem Gehäuse 43 sowie der Messzelle 42 elektrisch gegen ihre Umgebung isoliert. Zumindest ist diese Isolierung in dem Bereich vorgesehen, in dem das Fluid die Elektroden umgeben kann.
In ihrem unteren Bereich führen die Stromelektroden 49, 50 sowie die Spannungselektroden 51, 52 in die Messzelle 42, die ein nach unten offenes Gehäuse 54 aufweist, das wie eine Kappe oder eine auf dem Kopf stehende Tasse bzw. ein auf dem Kopf stehender Becher ausgebildet ist. Dieses Gehäuse 54 dient insbesondere zum Schutz vor Beschädigungen der Elektroden 49 bis 52, insbesondere um auch deren Position nicht durch etwaige Berührungen mit sich im Fluid befindenden festen Körpern zu verändern und um eine Beeinflussung der Leitfähigkeitsmesswerte durch in der Nähe befindliche Gegenstände klein zu halten. Hierzu ist das Gehäuse 54 vorteilhafterweise aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet. Das Gehäuse 54 weist an seinem oberen Bereich eine Öffnung 55 auf, die dazu dient, dass Luftblasen entweichen können. Neben dieser Öffnung 55 sind in dem Gehäuse 54 im oberen Bereich vier weitere Bohrungen 56 bis 59 (nur in 9 dargestellt) für die Elektroden 49 bis 52 vorgesehen.
Diese Bohrungen 56 bis 59, die auch als Durchtrittsöffnungen bereits in das Gehäuse 54 bei der Fertigung ausgespart geblieben sein können, dienen dazu, die Elektroden 49 bis 52, wie in 9 dargestellt, gegeneinander zu verbinden, so dass insbesondere die Spannungselektroden im Bereich der Messflächen den erforderlichen Versatz aufweisen, so wie dies in den 4 und 5 dargestellt ist. Hingegen sind die Elektroden 49 bis 52 in dem in den Behälter 46 eingeschraubten Gehäuse 43 noch gleichmäßig auf einem Lochkreis bzw. auf den Ecken eines Quadrates angeordnet, wie in 7 dargestellt.
8 zeigt einen Schnitt durch die beiden Elektrodenpaare in einem oberen Bereich zwischen dem Gehäuse 43 und der Messzelle 42, wobei die fett ausgezogenen Kreise die Elektroden 49 bis 52 auf der Höhe der Schnittebene VIII-VIII gemäß 6 darstellen, wohingegen die dazu versetzt angeordneten kreisförmigen Linien, die lediglich dünn ausgezogen sind, die Elektroden 49 bis 52 bei ihrem Durchtritt durch die Bohrungen 56 bis 59 zeigen, die am Gehäuse 54 der Messzelle 42 vorgesehen sind.
Die Elektroden 49 bis 52 werden sowohl durch das Gehäuse 54 der Messzelle 42 sowie das in den Behälter 46 eingeschraubte Gehäuse 43 mechanisch zueinander fixiert, so dass sie relativ zueinander eine feste, definierte Position aufweisen. Die Verbindungsgeraden durch paarweise gegenüberliegende Elektroden schneiden sich unter einem vorbestimmten Winkel, der im Bereich der Messzelle 42 signifikant von 90° abweicht. Dieser Winkel liegt in einem Bereich von vorzugsweise 60° bis 80°.
Die Spannungselektroden 51, 52 sind bezüglich einer Ebene, die durch die beiden Stromelektroden 49, 50 aufgespannt wird, derart angeordnet, dass sie auf unterschiedlichen Seiten dieser Ebene liegen, wobei näherungsweise davon ausgegangen wird, dass die Stromelektroden nicht windschief zueinander verlaufen.
Die Elektroden sind jeweils, wie in 10 dargestellt, aufgebaut. 10 erläutert den Aufbau anhand der Stromelektrode 49, wobei jedoch der Aufbau auch für die Stromelektrode 50 sowie die Spannungselektroden 51 und 52 der gleiche ist.
Die Elektrode ist weitestgehend von einem Isolationsschlauch 60 umgeben und zwar insbesondere in dem Bereich zwischen der Messsonde 42 und dem Gehäuse 43, zumindest soweit dieser Bereich üblicherweise vom Fluid 48 umspült wird. An ihrem untersten Abschnitt 61 reduziert sich der Durchmesser der Elektrode 49 signifikant, so dass die Länge dieses unteren Abschnitts etwa vier bis fünfmal so groß ist wie der Durchmesser dieses Abschnitts 61. In dem sich nach oben anschließenden breiteren Elektrodenabschnitt 49 befindet sich ein Gewinde 62, auf das eine Isolationskappe 63 aufgeschraubt ist. Diese Isolationskappe 63 umgibt auch einen Bereich des Isolationsschlauches 60, so dass die Elektrode lediglich in ihrem Abschnitt mit verringertem Durchmesser unisoliert bleibt, der unisoliert mit dem Fluid in elektrischen Kontakt tritt.
In 6 ist ferner ein Temperaturfühler 64 zwischen den Elektroden 49 bis 52 im oberen Abschnitt vorgesehen, um neben einem Leitfähigkeitsmesswert auch einen Temperaturmesswert des Fluids liefern zu können. Der Temperaturmesswert wird zur Kompensation von temperaturabhängigen Änderungen der Leitfähigkeit, d.h. um eine Temperaturkompensation bei der Leitfähigkeitsmessung durchführen zu können, verwendet. Durch den vorstehend beschriebenen Aufbau ist es möglich, das Verhältnis von Abstand der Stromelektroden zum Durchmesser der dem Fluid unisoliert ausgesetzten Messzapfen signifikant zu erhöhen und damit die Anfälligkeit der Messeinrichtung gegenüber asymmetrischen Verschmutzung der Elektroden wesentlich zu verringern.
Eine gleichwohl in weitaus geringerem Maße auftretende asymmetrische Verschmutzung kann vorteilhafterweise dadurch erkannt werden, dass ein vorbestimmter Asymmetriegrenzwert überschritten wird. Aufgrund der Symmetrie zwischen den Stromelektroden 49, 50 und den Spannungselektroden 51, 52 kann mittels einer (nicht dargestellten) Steuerung eine Umschaltung der Elektrodenpaare vorgenommen werden, so dass die vormals als Stromelektroden vorgesehenen Elektroden als Spannungselektroden fungieren sowie die vormals als Spannungselektroden vorgesehenen Elektroden als Stromelektroden arbeiten.
Wenn keine Verschmutzung vorliegt, ergibt sich der gleiche Leitfähigkeitsmesswert. Falls jedoch eine asymmetrische Verschmutzung einer oder mehrerer Elektroden vorliegt, wird dies durch diese Vertauschung erkannt. Hierzu ist lediglich ein Vergleich der jeweiligen Leitfähigkeitsmesswerte erforderlich. Wenn die Differenz der ermittelten Leitfähigkeitsmesswerte einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt, kann die Steuerung ein entsprechendes Alarmsignal ausgeben, das entweder zu einer Abschaltung der Messeinrichtung oder zu einem Signal führt, dass die Messeinrichtung gewartet werden muss.
Ferner kann – wenn die Differenz der ermittelten Leitfähigkeitsmesswerte den vorbestimmten Grenzwert übersteigt – ein Mittelwert der beiden ermittelten Leitfähigkeitsmesswerte bis zur nächsten Reinigung in Rahmen einer regulären Wartung verwendet werden. Durch die Mittelwertbildung erhält man einen Näherungswert, der dem tatsächlichen Leitfähigkeitswert relativ nahe kommt. Man braucht daher die regelmäßigen Wartungsintervalle nicht zu verkürzen oder gar die mit der Messeinrichtung versehene Anlage abzuschalten.
Eine derartige Kontrollmessung zur Erkennung asymmetrischer Verschmutzungen kann dank einer entsprechenden Ausgestaltung der Steuerung automatisch, vorzugsweise in regelmäßigen zeitlichen Abständen vorgenommen werden.

Claims

Leitfähigkeitsmesszelle für Fluide (48) mit – einem Grundkörper (32), – mindestens zwei voneinander beabstandeten, gegeneinander elektrisch isolierten Stromelektroden (33, 34; 49, 50) und – mindestens zwei voneinander und von den Stromelektroden (33, 34; 49, 50) beabstandeten, gegeneinander und gegen die Stromelektroden (33, 34; 49, 50) elektrisch isolierten Spannungselektroden (35, 36; 51, 52), dadurch gekennzeichnet, dass je ein unisolierter Abschnitt (61) der Spannungselektroden (35, 36; 51, 52) aus dem Grundkörper (32) bzw. einem die jeweilige Spannungselektrode zumindest teilweise umgebenden Isolator (63) herausragt.
Leitfähigkeitsmesszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass je ein unisolierter Abschnitt (61) der Stromelektroden (33, 34; 49, 50) aus dem Grundkörper (32) bzw. einem die jeweilige Stromelektrode zumindest teilweise umgebenden Isolator (63) herausragt.
Leitfähigkeitsmesszelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungselektroden (35, 36; 51, 52) und/oder die Stromelektroden (33, 34; 49, 50) um mehr als 2 mm aus dem Grundkörper (32) bzw. dem jeweiligen Isolator (63) herausragen.
Leitfähigkeitsmesszelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungselektroden (35, 36; 51, 52) und/oder die Stromelektroden (33, 34; 49, 50) um weniger als 15 mm aus dem Grundkörper (32) bzw. dem jeweiligen Isolator (63) herausragen.
Leitfähigkeitsmesszelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungselektroden (35, 36; 51, 52) und/oder die Stromelektroden (33, 34; 49, 50) einen Durchmesser von mindestens 0,6 mm aufweisen.
Leitfähigkeitsmesszelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungselektroden (35, 36; 51, 52) und/oder die Stromelektroden (33, 34; 49, 50) einen Durchmesser von unter 3 mm aufweisen.
Leitfähigkeitsmesszelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Länge des aus dem Grundkörper (32) bzw. dem jeweiligen Isolator (63) herausragenden Abschnitts der jeweiligen Elektrode zum Durchmesser der betreffenden Elektrode im Bereich von 3:1 bis 5:1 liegt.
Leitfähigkeitsmesszelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis vom kürzesten Abstand der Spannungselektroden (35, 36; 51, 52) und/oder der Stromelektroden (33, 34; 49, 50) zueinander zur Länge des aus dem Grundkörper (32) bzw. dem jeweiligen Isolator (63) herausragenden Abschnitts der jeweiligen Elektrode im Bereich von 4:1 bis 5:1 liegt.
Leitfähigkeitsmesszelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromelektroden (33, 34; 49, 50) und die Spannungselektroden (35, 36; 51, 52) den gleichen Durchmesser haben.
Leitfähigkeitsmesszelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromelektroden (33, 34; 49, 50) und die Spannungselektroden (35, 36; 51, 52) gegeneinander unverschieblich mechanisch am Grundkörper (32) fixiert sind.
Leitfähigkeitsmesszelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromelektroden (33, 34; 49, 50) und/oder die Spannungselektroden (35, 36; 51, 52) eine gerade Zylinderform haben.
Leitfähigkeitsmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromelektroden (33, 34; 49, 50) und/oder die Spannungselektroden (35, 36; 51, 52) zapfenartig ausgebildet sind.
Leitfähigkeitsmesszelle nach Anspruch 11 oder 12 dadurch gekennzeichnet, die Stromelektroden (33, 34; 49, 50) und/oder die Spannungselektroden (35, 36; 51, 52) parallel zueinander verlaufen.
Leitfähigkeitsmesszelle nach Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromelektroden (33, 34; 49, 50) windschief zueinander verlaufen und/oder die Spannungselektroden (35, 36; 51, 52) windschief zueinander verlaufen.
Leitfähigkeitsmesszelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (32) gegen das Eindringen von Fluid abgedichtet ist.
Leitfähigkeitsmesszelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromelektroden (33, 34; 49, 50) und die Spannungselektroden (35, 36; 51, 52) so angeordnet sind, dass dann, wenn die Leitfähigkeitsmesszelle in ein leitfähiges Fluid (48) taucht und an die Spannungselektroden (35, 36; 51, 52) ein elektrischer Strom angelegt wird, zwischen den Stromelektroden (33, 34; 49, 50) eine Spannung anliegt, die gleich der Spannung ist, die zwischen den Spannungselektroden (35, 36; 51, 52) anliegt, wenn an die Stromelektroden (33, 34; 49, 50) der gleiche elektrische Strom angelegt wird.
Leitfähigkeitsmesszelle nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Stromelektroden (33, 34; 49, 50) und zwei Spannungselektroden (35, 36; 51, 52) vorhanden sind, dass die Stromelektroden (33, 34; 49, 50) und die Spannungselektroden (35, 36; 51, 52) parallel zueinander verlaufen, dass der Mittelpunkt der Verbindungsstrecke der Stromelektroden (33, 34; 49, 50) mit dem Mittelpunkt der Verbindungsstrecke der Spannungselektroden (35, 36; 51, 52) zusammenfällt und dass beide Verbindungsstrecken gleich lang sind.
Leitfähigkeitsmessvorrichtung, die eine Leitfähigkeitsmesszelle (31; 42) nach einem der Ansprüche 1 bis 17 aufweist, mit – Mitteln zum Anlegen eines elektrischen Stroms bekannter Stärke an die Leitfähigkeitsmesszelle (31; 42) und – Mitteln zum Messen einer zwischen den Spannungselektroden (35, 36; 51, 52) der Leitfähigkeitsmesszelle (31; 42) anliegenden Spannung.
Leitfähigkeitsmessvorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine Steuerung zum Erfassen der Stärke des an die Leitfähigkeitsmesszelle (31; 42) angelegten Stroms, zum Erfassen der zwischen den Spannungselektroden (35, 36; 51, 52) der Leitfähigkeitsmesszelle (31; 42) anliegenden Spannung und zum Errechnen eines ersten elektrischen Leitfähigkeitswerts aus dieser Stromstärke und dieser Spannung, welcher die Leitfähigkeit des Fluids repräsentiert.
Leitfähigkeitsmessvorrichtung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch – Mittel zum Anlegen eines Stroms an die Spannungselektroden (35, 36; 51, 52 ), – Mittel zum Messen einer zwischen den Stromelektroden (33, 34; 49, 50) anliegenden Spannung und – eine Steuerung zum Erfassen der Stärke des an die Spannungselektroden (35, 36; 51, 52) angelegten Stroms, zum Erfassen der zwischen den Stromelektroden (33, 34; 49, 50) der Leitfähigkeitsmesszelle (31; 42) anliegenden Spannung und zum Errechnen eines zweiten elektrischen Leitfähigkeitswerts aus dieser Stromstärke und dieser Spannung, wobei die Steuerung ausgebildet ist, um den ersten elektrischen Leitfähigkeitswert und den zweiten elektrischen Leitfähigkeitswert auszugeben.
Leitfähigkeitsmessvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung ausgebildet ist, um eine Meldung auszugeben, wenn (i) der erste elektrische Leitfähigkeitswert um einen vorbestimmten relativen Anteil kleiner ist als der zweite elektrische Leitfähigkeitswert oder (ii) der zweite elektrische Leitfähigkeitswert um einen vorbestimmten relativen Anteil kleiner ist als der erste elektrische Leitfähigkeitswert.
Leitfähigkeitsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung ausgebildet ist, um in einem vorgegebenen zeitlichen Abstand - einen Strom an die Spannungselektroden (35, 36; 51, 52) anzulegen, – eine zwischen den Stromelektroden (33, 34; 49, 50) anliegende Spannung zu messen, – daraus einen zweiten elektrischen Leitfähigkeitswert zu berechnen und eine Meldung auszugeben, wenn (i) der erste elektrische Leitfähigkeitswert um einen vorbestimmten relativen Anteil kleiner ist als der zweite elektrische Leitfähigkeitswert oder (ii) der zweite elektrische Leitfähigkeitswert um einen vorbestimmten relativen Anteil kleiner ist als der erste elektrische Leitfähigkeitswert.
Verfahren zur Leitfähigkeitsmessung, bei dem eine Leitfähigkeitsmesszelle (31; 42) nach einem der Ansprüche 1 bis 17 eingesetzt wird, mit den Schritten – In-Kontakt Bringen aller Spannungselektroden (35, 36; 51, 52) und aller Stromelektroden (33, 34; 49, 50) einer Leitfähigkeitsmesszelle (31; 42) mit einem leitfähigen Fluid (48), – Beaufschlagen der Stromelektroden (33, 34; 49, 50) mit einem elektrischen Strom bekannter Stärke und – Messen der Spannung zwischen den Spannungselektroden (35, 36; 51, 52), um einen ersten Spannungsmesswert zu erhalten
Verfahren nach Anspruch 23 mit dem Schritt – Berechnen einer ersten elektrischen Leitfähigkeit unter Verwendung des ersten Spannungsmesswerts und des Wertes der bekannten Stromstärke bzw. eines gemessenen Wertes des Stroms.
Verfahren nach Anspruch 24 mit den Schritten: – Beaufschlagen der Spannungselektrode (35, 36; 51, 52) mit einem elektrischen Strom bekannter Stromstärke, – Messen der Spannung zwischen den Stromelektroden (33, 34; 49, 50), um einen zweiten Spannungsmesswert zu erhalten, – Berechnen einer zweiten elektrischen Leitfähigkeit des Fluids (48) unter Verwendung des zweiten Spannungsmesswerts und des Wertes der bekannten Stromstärke bzw. eines gemessenen Wertes des Stroms und – Ausgeben einer Meldung, wenn (i) die erste elektrische Leitfähigkeit des Fluids (48) um einen vorgegebenen relativen Anteil unter der zweiten elektrischen Leitfähigkeit des Fluids (48) oder (ii) die zweite elektrische Leitfähigkeit des Fluids um einen vorgegebenen relativen Anteil unter der ersten elektrischen Leitfähigkeit des Fluids liegt.