DE19704494A1

DE19704494A1 - Anordnung zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit mittels Sonden sowie zur Sonden-Funktionskontrolle

Info

Publication number: DE19704494A1
Application number: DE1997104494
Authority: DE
Inventors: Horst-Michael Dr Prasser; Jochen Dr Zschau; Arnd Boettger
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH; Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 1997-02-07
Filing date: 1997-02-07
Publication date: 1998-08-13
Anticipated expiration: 2017-02-08
Also published as: DE19704494C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zur Messung der Leitfähigkeitsverteilung in Flüs sigkeiten bzw. Mehrphasenmedien mit beliebiger Strömungsrichtung insbesondere für den Ein satz in der Verfahrens- und Kraftwerkstechnik, wobei die elektrische Leitfähigkeit vorwiegend als Maß für weitere physikalische oder chemische Eigenschaften (z. B. volumetrischer Gasan teil, Konzentration, Stoffart, usw.) der Flüssigkeit oder als Indikator für die Phasenverteilung über den Meßquerschnitt eines Mehrphasenmediums dient.

Für die Bestimmung der Eigenschaften von Flüssigkeiten und Mehrphasengemischen, z. B. des volumetrischen Gasanteils, wird verbreitet die Messung der elektrischen Leitfähigkeit verwen det. Dazu bringt man sowohl bei Laboreinrichtungen als auch bei großtechnischen Anwendun gen 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. komplexen Widerstandes. Eine spezielle Form dieser Elektrodenanordnungen sind die Nadelsonden [DE 32 01 799 C1] zur Messung der lokalen Leitfähigkeit.

Dabei wird die Leitfähigkeit zwischen zwei konzentrisch angeordneten Elektroden, die in das zu messende Medium eintauchen, gemessen. Die Ausführung dieser konzentrisch angeord neten Elektroden ist sehr mannigfaltig, und hängt von dem jeweiligen Anwendungsfall ab. Es werden auch Nadelsonden mit mehr als zwei konzentrisch angeordneten Elektroden be schrieben. So wird in [DE 32 01 799] eine Sondenanordnung beschrieben, bei der eine zusätzliche Elektrode als Schirmelektrode zur Ableitung von Thermospannungen einer in die Sonde integrierten Temperaturmeßeinrichtung genutzt wird. In [DE 9 68 548] wird eine Sonde vorgestellt, deren äußere Elektrode aus mehreren axial voneinander isolierten Teilstücken zusammensetzt ist, und die damit eine damit eine Mehrfachmessung in axialer Richtung erlaubt.

Bei Messungen mit Nadelsonden in Fluiden wirkt sich nachteilig aus, daß sich die elek trischen Parameter der Sonden im Lauf der Zeit verändern. Mit zunehmender Einsatzdauer kann die Verringerung des Isolationswiderstand zwischen Meß- und Bezugselektrode nicht ausgeschlossen werden. Sie wird verursacht durch Ablagerungen an der Sondenspitze oder durch in die Isolation eindringendes Meßmedium. In beiden Fällen wird die Messung dadurch grob verfälscht, was bei sicherheitsrelevanten Meßaufgaben z. B. zur Nichterkennung von Ge fahrenzuständen führen kann. Die Abnahme des Isolationswiderstandes führt zu einer Zu nahme des Sondenstroms und dadurch zu einer Überbewertung der Leitfähigkeit des Meßmediums.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Messung von Leitfähigkeiten in Fluiden mittels Nadelsonden die Möglichkeit einer Funktionsprüfung der Meßanordnung durch parallele Überwachung des Isolationswiderstandes des Sonden während der Einsatzzeit zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den in den Patentansprüchen dargestellten techni schen Mitteln gelöst.

Zur Bestimmung der Leitfähigkeit des Meßmediums werden zwei Sonden mit je einer Meßelektrode, die von einer Bezugselektrode konzentrisch umgeben ist, eingesetzt. Die Sonde 1 arbeitet als aktive Sonde, indem an ihre Meßelektrode ein Spannungspotential angelegt und gleichzeitig der Strom I₁ zwischen Meß- und Bezugselektrode gemessen wird. Die Sonde 2 arbeitet im passiven Betrieb, indem sie den von der aktiven Sonde 1 über das Meßmedium fließenden Strom I₂ mißt, der ein Maß für die Leitfähigkeit des Mediums zwischen den beiden Sonden darstellt. Der Isolationswiderstand der passiv arbeitenden Sonde 2 ist dabei bis zu einem bestimmten Grenzwert bedeutungslos, da die Meßelektrode bei genügend großer Leerlaufverstärkung von OPV3 infolge der Gegenkopplung nur eine verschwindend geringe Spannungsdifferenz zur Bezugselektrode aufweist und somit zwischen beiden Elektroden nur ein zu vernachlässigender Strom fließt. Der an der aktiv betriebenen Sonde 1 gemessene Strom I1 stellt ein Maß für den Isolationswiderstand der Sonde 1 dar. Die Umschaltein richtung S1 realisiert ein wechselseitiges Vertauschen der Betriebsweisen von den beiden Sonden. Beide Sonden werden abwechselnd aktiv bzw. passiv betrieben. Dadurch wird die Überwachung des Isolationswiderstands beider Sonden jeweils während der Phase des aktiven Betriebes möglich.

Zum besseren Verständnis wird die Erfindung nachfolgend anhand eines konkreten Ausfüh rungsbeispieles näher erläutert.

In der in Fig. 2 dargestellten Schaltung wird die Meßelektrode der Sonde 1 an den inver tierenden Eingang des Meßverstärkers OPV1 angeschlossen. An den nichtinvertierenden Eingang des OPV1 wird das Versorgungspotential U_v für die Sonde 1 angelegt (aktiver Betrieb). Das Potential am nichtinvertierenden Eingang des OPV1 erzeugt über die Gegen kopplung bei genügend großer Leerlaufverstärkung von OPV1 ein nahezu identisches Potential am invertierenden Eingang und damit an Meßelektrode der Sonde 1. Der Strom der aktiv betriebenen Sonde wird niederohmig als Spannung am Ausgang des OPV2 gemessen. Dazu arbeitet OPV1 als Strom/Spannungswandler und der OPV2 als Differenzbildner, der die Versorgungsspannung U_v von der Ausgangsspannung von OPV1 subtrahiert, so daß die Spannung U₁ am Ausgang von OPV1 dem Strom I₁ proportional ist.

Ein Teil des Sondenstromes I₁ fließt zur Meßelektrode der passiv betriebenen Sonde 2. Dieser Strom I₂ wird mit einem ebenfalls als Strom/Spannungswandler arbeitenden Verstärker (OPV3) in ein Spannungssignal umgewandelt. Bei genügend großer Leerlaufverstärkung von OPV3 bleibt die Meßelektrode der Sonde 2 praktisch bis auf eine verschwindend geringe Spannungsdifferenz stets auf Nullpotential und damit auf dem Potential der Bezugselektrode der Sonde 2, wodurch der Isolationswiderstand solange er groß gegenüber dem Eingangs widerstand von OPV3 ist, vernachlässigt werden kann. Die Ausgangsspannung U₂ ist somit nur abhängig von der Leitfähigkeit des Mediums zwischen den beiden Meßelektroden der Sonden.

Der Strom 1 an der aktiven Sonde setzt sich aus den Komponenten

1. Stromfluß über den Isolationswiderstand im Inneren des Sondenkörpers,
2. Stromfluß über das Fluid zur Meßelektrode der Sonde 2,
3. Stromfluß über das Fluid zur Bezugselektrode der Sonde 1,
4. Stromfluß über Flüssigkeitsfilme bzw. Ablagerungsschichten zur Bezugselektrode und
5. Stromfluß über den im Inneren des Sondenkörpers eingebauten Testwiderstand von Meßelektrode zur Bezugselektrode

zusammen.

Solange die Leitfähigkeit des Meßmediums gering gegenüber den Isolationswiderstand der Sonden ist, wird der Strom I₁ quasi von dem Isolationswiderstand der aktiv betriebenen Sonde bestimmt, da die Stromanteile 2 bis 4 das Meßergebnis vernachlässigbar beeinflussen. Der Widerstand R7 wird so gewählt, daß der Stromanteil 5 gegenüber dem durch den Isolations widerstand bedingten Stromanteil nicht dominiert. Damit garantiert er einen Mindeststrom und kann zur Funktionskontrolle der Zuleitungen benutzt werden, andrerseits zeigt ein starkes Ansteigen des Sondenstromes I₁ eine Verschlechterung des Isolationswiderstandes der aktiv betriebenen Sonde an.

Die Umschalteinrichtung S1 ermöglicht ein wechselseitiges Vertauschen der Betriebsweisen von den beiden Sonden. Beide Sonden werden dabei abwechselnd aktiv bzw. passiv betrieben und die Überwachung des Isolationswiderstands beider Sonden 2 jeweils während der Phase des aktiven Betriebes möglich ist dadurch möglich.

Zum Abgleich wird die Auswerteschaltung für die Sonde 1 bei offenem Eingang (Ein gangstrom I₁ = 0) mit dem Einstellregler R3 so abgeglichen, daß sich U₁ = 0 ergibt. Fließt ein Eingangsstrom I₁ ≠ 0, so tritt eine Ausgangsspannung U₁ auf, die proportional zum Son denstrom I₁ ist und Aufschluß über den Isolationswiderstand der aktiv betriebenen Sonde gibt.

Claims

1. Anordnung zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit mittels zweier Sonden sowie zur Sonden-Funktionskontrolle, wobei die Sonden jeweils aus einer zentralen Meßelektrode und einer diese umschließenden Bezugselektrode bestehen und die Sonden in definiertem Abstand zueinander mit dem Meßmedium in Kontakt stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode der einen Sonde mit einer Spannung versorgt wird (aktiver Betrieb) und der dabei an der Meßelektrode der zweiten Sonde (passiver Betrieb) auftretende Strom als Maß für die Leitfähigkeit des Fluids erfaßt wird, daß zusätzlich der an der aktiv betriebenen Sonde auftretende Strom als Maß für deren Isolationswiderstand gegenüber dem Bezugspotential erfaßt wird, und daß eine Schalteinrichtung vorgesehen ist, die eine periodische Vertauschung der Betriebsarten passiver und aktiver Betrieb zur Überwachung der Isolationswiderstände beider Sonden und damit der Funktionsfähigkeit der Meßanordnung insgesamt gestattet.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Strommessung an den Elektrodenanordnungen im Verhältnis zur Leitfähigkeit des Fluids niederohmig ausgeführt ist.