DE19704494C2

DE19704494C2 - Anordnung zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit mittels Sonden sowie zur Sonden-Funktionskontrolle

Info

Publication number: DE19704494C2
Application number: DE1997104494
Authority: DE
Inventors: Horst-Michael Prasser; Jochen Zschau; Arnd Boettger
Original assignee: Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 1997-02-07
Filing date: 1997-02-07
Publication date: 2001-12-13
Anticipated expiration: 2017-02-08
Also published as: DE19704494A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zur Messung der Leitfähigkeitsverteilung in Flüssigkeiten bzw. Mehrpha senmedien mit beliebiger Strömungsrichtung insbesondere für den Einsatz in der Verfahrens- und Kraftwerkstechnik, wobei die elektrische Leitfähigkeit vorwiegend als Maß für weitere physikalische oder chemische Eigenschaften (z. B. volumetrischer Gasanteil, 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 Gas anteils, wird verbreitet die Messung der elektrischen Leitfä higkeit verwendet. Dazu bringt man sowohl bei Laborein richtungen 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. komplexen Widerstandes. Eine spezielle Form dieser Elek trodenanordnungen 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 angeordneten Elektroden ist sehr mannigfaltig, und hängt von dem jeweiligen Anwendungsfall ab. Es werden auch Nadelsonden mit mehr als zwei konzentrisch angeordneten Elektroden beschrieben. So wird in [DE 32 01 799] eine Sondenanordnung beschrieben, bei der eine zusätzliche Elektrode als Schirmelektrode zur Ableitung von Thermo spannungen einer in die Sonde integrierten Temperaturmeß einrichtung genutzt wird. In [DE 968 548] wird eine Sonde vorgestellt, deren äußere Elektrode aus mehreren axial von einander 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 elektrischen Parameter der Son den im Lauf der Zeit verändern. Mit zunehmender Einsatz dauer kann die Verringerung des Isolationswiderstand zwi schen Meß- und Bezugselektrode nicht ausgeschlossen wer den. Sie wird verursacht durch Ablagerungen an der Son denspitze oder durch in die Isolation eindringendes Meßme dium. In beiden Fällen wird die Messung dadurch grob ver fälscht, was bei sicherheitsrelevanten Meßaufgaben z. B. zur Nichterkennung von Gefahrenzuständen führen kann. Die Abnahme des Isolationswiderstandes führt zu einer Zu nahme des Sondenstroms und dadurch zu einer Überbewer tung der Leitfähigkeit des Meßmediums.

Es ist auch eine Messanordnung zur Messung der Leitfähigkeit eines Elektrolyten bekannt, in der zusätzliche nicht stromführende Elektroden zur Ermittlung der Elektrodenposition der eigentlichen Messelektroden eingesetzt werden (DE 25 01 812 C2). Ein Nachweis der Veränderung des Isolationswiderstandes zwischen Mess- und Bezugselektrode sowie des Isolationswiderstandes zwischen Sondenelektrode und Behälterwandung wird durch diese technische Lösung nicht erreicht.

Der vorliegenden Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, bei der Messung von Leitfähigkeiten in Fluiden mittels Na delsonden die Möglichkeit einer Funktionsprüfung der Meßanordnung durch parallele Überwachung des Isolati onswiderstandes des Sonden während der Einsatzzeit zu er möglichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den in den Pa tentansprüchen dargestellten technischen Mitteln gelöst.

Zur Bestimmung der Leitfähigkeit des Meßmediums wer den zwei Sonden mit je einer Meßelektrode, die von einer Bezugselektrode konzentrisch umgeben ist, eingesetzt. Die Sonde 1 arbeitet als aktive Sonde, indem an ihre Meßelek trode 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 fließen den Strom I₂ mißt, der ein Maß für die Leitfähigkeit des Me diums zwischen den beiden Sonden darstellt. Der Isolations widerstand der passiv arbeitenden Sonde 2 ist dabei bis zu einem bestimmten Grenzwert bedeutungslos, da die Meß elektrode 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 vernach lässigender Strom fließt. Der an der aktiv betriebenen Sonde 1 gemessene Strom I1 stellt ein Maß für den Isolationswi derstand der Sonde 1 dar. Die Umschalteinrichtung S1 reali siert 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 nachfol gend anhand eines konkreten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

In der in Fig. 2 dargestellten Schaltung wird die Meßelek trode der Sonde 1 an den invertierenden Eingang des Meß verstärkers OPV1 angeschlossen. An den nichtinvertieren den 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 Ge genkopplung 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 Differenzbild ner, der die Versorgungsspannung U_V von der Ausgangs spannung 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 Verstär ker (OPV3) in ein Spannungssignal umgewandelt. Bei ge nügend großer Leerlaufverstärkung von OPV3 bleibt die Meßelektrode der Sonde 2 praktisch bis auf eine verschwin dend geringe Spannungsdifferenz stets auf Nullpotential und damit auf dem Potential der Bezugselektrode der Sonde 2, wodurch der Isolationswiderstand solange er groß gegen über dem Eingangswiderstand von OPV3 ist, vernachlässigt werden kann. Die Ausgangsspannung U₂ ist somit nur ab hängig von der Leitfähigkeit des Mediums zwischen den beiden Meßelektroden der Sonden.

Der Strom 1 an der aktiven Sonde setzt sich aus den Kom ponenten

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. Ablage rungsschichten zur Bezugselektrode und
5. Stromfluß über den im Inneren des Sondenkörpers eingebauten Testwiderstand von Meßelektrode zur Be zugselektrode

zusammen.

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

Die Umschalteinrichtung S1 ermöglicht ein wechselseiti ges 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 Be triebes möglich ist dadurch möglich.

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

Claims

1. Anordnung zur Messung der elektrischen Leitfähig keit mittels zweier Sonden sowie zur Sonden-Funkti onskontrolle, wobei die Sonden jeweils aus einer zen tralen Meßelektrode und einer diese umschließenden Bezugselektrode bestehen und die Sonden in definier tem Abstand zueinander mit dem Meßmedium in Kon takt stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß elektrode der einen Sonde mit einer Spannung versorgt wird (aktiver Betrieb) und der dabei an der Meßelek trode 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 Isolationswider stand gegenüber dem Bezugspotential erfaßt wird, und daß eine Schalteinrichtung vorgesehen ist, die eine pe riodische Vertauschung der Betriebsarten passiver und aktiver Betrieb zur Überwachung der Isolationswider stände beider Sonden und damit der Funktionsfähigkeit der Meßanordnung insgesamt gestattet.

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