DE2447827A1

DE2447827A1 - Ozeanographische messonde

Info

Publication number: DE2447827A1
Application number: DE19742447827
Authority: DE
Inventors: Lawrence C Murdock
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1973-10-09
Filing date: 1974-10-08
Publication date: 1975-04-10
Also published as: FR2246866B1; CA1008929A; JPS5613625Y2; FR2246866A1; GB1454485A; JPS55172820U; US3991623A; JPS5067177A

Description

DIPL.-lNG. KLAUS NEUBECKER^

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

Düsseldorf, 02.10.1974 74146

Westinghouse Electric Corporation,
Pittsburgh, Pennsylvania, V.St.A.

Oze anographi s ehe Meß sonde

Die Erfindung bezieht sich auf eine ozeanographisehe Meßsonde mit einem dem Seewasser aussetzbaren Körper und mindestens einem Meßfühler für die Leitfähigkeit von Wasser.

Sowohl militärische als auch wissenschaftliche Hochseeschiffe führen auf See routinemäßig Messungen der Tempe rat. urvertei lung in der Wassersäule unter dem Schiff mit Hilfe eines sogenannten Bathythermographen aus. Die bei diesen Messungen erhaltenen Daten dienen zur Bestimmung des Profils der Thermocline, d.h. der Grenze zwischen der vermischten oberen Wasserschicht und der ruhenden unteren Wasserschicht mit kälterem Wasser. Die Kenntnis des Profils der Thermocline ist für die Bestimmung der Meeresströmungen, für die Ermittlung günstiger Fischplätze und für die Vorhersage der Ausbreitungsbedingungen bei der Unterwasserortung (Sonar) von Bedeutung.

Aus taktischen oder wirtschaftlichen Gründen ist es häufig unerwünscht, zur Durchführung dieser Messungen anzuhalten oder die Fahrt zu verlangsamen. Es wurde daher eine Meßsonde entwickelt, die in voller Fahrt über eine Schiffseite hinweg abgelassen werden kann und eine Drahtspule enthält, die mit vorbestimmter konstanter Geschwindigkeit abgewickelt wird. Eine

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Telefon (0211) 3208 58 Telegramme Custopat

zweite Drahtspule an Bord des Schiffes wird dann entsprechend den Schiffsbewegungen abgewickelt. Eine solche Meßsonde ist in der US-PS 3 221 556 beschrieben.

Aus dem Profil der Thermocline können zwar recht brauchbare Schlüsse gezogen werden, doch hat sich herausgestellt, daß sehr viel genauere Bestimmungen der Sonar-Ausbreitung, der Meeresströmungen und der Fischwanderung durchgeführt werden können, wenn die Salzhaltigkeit des Wassers bekannt ist.

Die Salzhaltigkeit ist ein Maß für den Salzgehalt des Wassers, meist des Meerwassers, und eine komplizierte Funktion der Temperatur, der Leitfähigkeit und des Druckes der Meerwasserprobe. Sie kann dadurch bestimmt werden, daß der Meßsonde ein Leitfähigkeits-Meßfühler beigegeben wird und die_t unabhängigen veränderlichen Temperatur und Leitfähigkeit gemessen und mit Hilfe eines Analog- bzw. Digitalrechners zusammen mit einem Maß für den Druck miteinander verknüpft werden. Um die Salzhaltigkeit auf 0,1%o genau bestimmen zu können, müssen die Temperatur auf 0,05 C und die Leitfähigkeit auf 0,05 mS genau gemessen werden, was eine Meßgenauigkeit von 0,1% erfordert. Ein Meßgerät wäre sehr wünschenswert, das so robust ist, daß es den harten Arbeitsbedingungen auf See lange Zeit gerecht wird, und die erforderliche Genauigkeit für die Salzhaltigkeit mit Hilfe von Baugruppen erreicht, an welche weniger strenge Genauigkeitsanforderungen gestellt werden müssen.

Weiterhin liegen Leitfähigkeitsmessungen ihrer Natur nach fast augenblicklich vor, während Temperaturmessungen von sich aus eine Zeitverzögerung aufweisen, die von dem verwendeten Meßfühler - meist einem Thermistor - abhängt. Ein solches Verfahren, bei welchem Temperatur- und Leitfähigkeitsmessungen dazu verwendet werden, um die Salzhaltigkeit zu berechnen, kann daher in Gewässern mit hohem thermischen Gradienten nicht mit zufriedenstellender Genauigkeit angewendet werden.

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Der Erfindung liegt nun demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine ozeanographische Meßsonde der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine Bestimmung der Salzhaltigkeit einer Wasserprobe mit hoher Genauigkeit gestattet und auch bei hohen thermischen
Gradienten der untersuchten Wassersäule anwendbar ist.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein erster
Leitfähigkeits-Meßfühler zur Bestimmung der Leitfähigkeit einer Wasserprobe und ein zweiter Leitfähigkeits-Meßfühler zur Bestimmung der Leitfähigkeit der Normalprobe vorgesehen sind, daß die beiden Leitfähigkeits-Meßfühler innerhalb des Körpers der
Meßsonde derart angeordnet sind, daß ihre Messungen bei im
wesentlichen der gleichen Temperatur und dem gleichen Druck erfolgen, und daß eine elektrische Schaltungsanordnung vorhanden
ist, mit welcher Angaben über diese Messungen an eine Auswerteeinrichtung weiterleitbar sind.

Die Meßsonde nach der Erfindung kann in das zu untersuchende
Wasser gelegt, durch das Wasser hindurchgezogen oder durch eine Wassersäule hindurch fallen gelassen werden. Ihre beiden
Leitfähigkeits-Meßfühler stellen eine Meßzelle zur Bestimmung
der Leitfähigkeit des sie umgebenden Wassers und eine Vergleichszelle zur Bestimmung der Leitfähigkeit einer Normalprobe mit Wasser bekannter Salzhaltigkeit dar. Die Leitfähigkeit
beider Zellen verändert sich dabei gleichlaufend, wenn sich
Temperatur und Druck verändern. Die Zellen sind in dem Körper
der Meßsonde so angeordnet und in einer elektrischen Meßschal tungsanordnung so angeschlossen, daß ein Ausgangssignal
erzielt wird, welches proportional dem Verhältnis der Leitfähigkeiten der beiden Zellen ist, wobei die beiden Zellen im
wesentlichen die gleiche Temperatur und den gleichen Druck aufweisen. Das dem Leitfähigkeitsverhältnis proportionale Ausgangssignal ist dann gemäß internationaler Abmachungen ein Maß für
die Salzhaltigkeit der Wasserprobe. Es wird über eine Drahtverbindung oder dergleichen zu einer Auswerteeinrichtung weiterge-

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leitet, wo dann die tatsächliche Salzhaltigkeit bestimmt werden kann. Wenn die Auswerteeinrichtung eine Datenverarbeitungseinrichtung enthält, können die Meßwerte für die Leitfähigkeiten auch getrennt übertragen und erst dort miteinander verknüpft werden.

Ausgestaltungen der Erfindung sind aus den Unteransprüchen ersichtlich. Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert, wobei sich weitere Merkmale, Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer ozeanographischen Meßsonde,

Fig. 2 eine auseinandergezogen und teilweise weggebrochen dargestellte perspektivische Ansicht der Meßsonde nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt durch die Meßsonde nach Fig. 1,

Fig. 4 eine teilweise weggebrochen dargestellte perspektivische Ansicht eines ersten Leitfähigkeits-Meßfühlers der Meßsonde,

Fig. 5 eine teilweise weggebrochen dargestellte perspektivische Ansicht eines zweiten Leitfähigkeits-Meßfühlers der Meßsonde,

Fig. 6 ein elektrisches Schaltbild für die Meßfühler nach den Fig. 4 und 5,

Fig. 7 ein elektrisches Schaltbild der Schaltungsanordnung nach der Erfindung,

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Fig. 7A und 7B

Kurvenformdarstellungen von Signalen in der Anordnung nach Fig. 7,

Fig. 7C ein Schaubild der Oszillatorfrequenz der Anordnung nach Fig. 7 in Abhängigkeit von dem Leitfähigkeitsverhältnis und

Fig. 8 eine Darstellung der Verbindung zwischen der Meßsonde und einer fernen Auswertestelle.

Obwohl die vorliegende Erfindung im folgenden anhand eines ozeanographischen Meßgerätes beschrieben wird, kann sie ersichtlich bei einer Reihe von Fällen Anwendung finden, wo eine elektrische Meßgröße in linearer Abhängigkeit in die Frequenz bzw. Schwingungsdauer eines Oszillators umgesetzt werden soll.

Die ozeanographische Meßsonde 10 nach Fig. 1 weist ein Vorderteil 11 und ein Hinterteil 12 auf, die zusammen einen hydrodynamischen Körper bilden, der durch die Wassersäule unterhalb eines Schiffes durchfallen gelassen wird. Infolge ihrer hydrodynamischen Form, ihres Ballastes und ihrer Trimmung sinkt die Meßsonde 10 mit ihrem Vorderteil voraus mit konstanter Sinkgeschwindigkeit durch die Wassersäule.

Die auseinandergezogene und teilweise weggebrochene Darstellung nach Fig. 2 zeigt das Vorderteil 11 in seinen Einzelheiten. Es enthält einen Körper 15, der eine große Höhlung 17 für die Aufnahme einiger Bauteile aufweist. In den Körper 15 können Ballastgewichte eingegossen sein oder der Körper 15 kann selbst als Ballast ausgebildet und aus Kunststoff oder Metall gegossen sein. Als erster Leitfähigkeits-Meßfühler für die Bestimmung

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der Leitfähigkeit des Umgebungswassers dient eine Meßzelle 19. Die Meßzelle 19, die anhand von Fig. 4 näher erläutert wird, befindet sich in einer elektrisch isolierenden Hülse 20, die an einem Ende eine öffnung 21 aufweist und in einem Haupt-Strömungskanal 24 angeordnet ist, so daß das Wasser, dessen Leitfähigkeit gemessen werden soll, durch den Strömungskanal und sodann durch die öffnung 21 in der Hülse 20 und den mittleren Teil der Meßzelle 19 fließt, wenn die Meßsonde 10 durch die Wassersäule sinkt.

Zusätzlich zu der Meßzelle 19 ist ein zweiter Leitfähigkeits-Meßfühler in Form einer Vergleichszelle 26 vorgesehen, die anhand von Fig. 5 näher erläutert wird. Die Vergleichszelle 26 liefert ein Maß für die Leitfähigkeit einer Normalprobe mit Seewasser bekannter Salzhaltigkeit. Die Vergleichszelle 26 ist in unmittelbarer Nachbarschaft zu der Meßzelle 19 angeordnet, so daß beide Leitfähigkeitsmessungen bei im wesentlichen der gleichen Wassertemperatur durchgeführt werden.

Die Vergleichszelle 26 hat eine axiale Durchflußöffnung 27, die genau in Fortsetzung der axialen Durchflußöffnung in der Meßzelle 19 verläuft. Um die Wasserströmung durch und um die Vergleichszelle 26 zu erhöhen, ist eine Anzahl Hilfs-Strömungskanale 30 vorgesehen, in denen das Wasser an der Meßselle 19 vorbeifließt, aber wegen der Hülse 20 diese nicht berührt. Das Wasser fließt dann durch eine Anzahl öffnungen 32 in einem scheibenförmigen Abschlußteil 33 der Hülse 20, welcher in eine passende Vertiefung 34 eingreift, wenn die Meßzelle 19 in den Körper 15 eingeschpben wird.

Für die Vergleichszelle 26 ist eine Halterung im Verlaufe des Strömungskanales 24 vorgesehen. Hierzu dient ein Gehäuse 37, das ein zylindrisches Mittelteil 39 mit einer Anzahl Längs-

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schlitze 40 besitzt, in welche Vorsprünge 42 der Vergleichszelle 26 eingreifen, um diese in ihrer Lage zu fixieren. In dieser Anordnung fließt das in dem Vorderteil 11 durch den Hauptströmungskanal 24 und die Hilfs-Strömungskanäle 30 eintretende Wasser durch die Vergleichszelle 26 hindurch und um sie herum.

Der Deutlichkeit halber, ist die Halterung für die Vergleichszelle 26 als ein getrenntes Gehäuse dargestellt, doch ist es auch möglich, diese Halterung einstückig mit dem Körper 15 auszubilden.

Um den zylindrischen Mittelteil 39 herum befindet sich eine Ringöffnung 44, welche einen elektronischen Teil 45 aufnimmt. Der elektronische Teil 45 besitzt eine Anzahl elektrischer Bauelemente 47, die auf einer Druckschaltungsplatte 48 angeordnet sind, welche eine solche Größe und Form aufweist, daß sie leicht in die Ringöffnung 44 hineingeschoben werden kann. Diese Anordnung kann mannigfaltig ausgestaltet werden, zum Beispiel können die elektronischen Bauelemente in Form eines Zylinderringes vergossen sein, der dann in die Ringöffnung 44 hineingeschoben wird, oder die elektronischen Bauelemente können innerhalb der Ringöffnung 44 vergossen werden.

Die dargestellte Anordnung vermeidet die Notwendigkeit einer Temperaturmessung für die Bestimmung der Salzhaltigkeit. Es ist dennoch häufig wünschenswert, eine Angabe über das Temperaturprofil zu erzielen, wenn die Meßsonde durch die Wassersäule sinkt. Hierfür kann ein Temperaturmeßinstrument vorgesehen werden, beispielsweise ein Thermistor 50, der so in dem Vorderteil 11 der Meßsonde 10 angeordnet ist, daß er von dem Umgebungswasser umspült wird.

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— ö —

Von dem Hinterteil 12 ist ein kleiner Teil dargestellt. Sein Inneres weist eine Anzahl Rillen und Vorsprünge 52 auf, die mit Rillen und Vorsprüngen 54 in dem Körper 15 zusammenwirken, um einen durch Zusammendrücken verriegelnden Verschluß zu bilden.

Fig. 3 stellt die Bauteile der Fig. 2 in zusammengesetztem Zustand dar, fertig zum Versenken der Meßsonde in der Wassersäule. In dem Teilquerschnitt ist ein Hilfs-Strömungskanal 30 zu sehen, der an einer Mündung des Gehäuses 37 endet. Wo dieses geneigte Seitenwände 57 besitzt, welche das einströmende Wasser der Vergleichszelle 26 zuleitet.

In dem Hinterteil 12 ist eine Drahtspulenanordnung 59 untergebracht, deren Draht durch eine öffnung 60 am Ende des Hinterteiles 12 abgewickelt wird. Eine solche Anordnung' ist bekannt und beispielsweise in der erwähnten US-PS 3 221 556 beschrieben.

Fig. 4 ist eine teilweise weggebrochene Detailansicht der Meßzellen 19. Die Meßzelle 19 weist eine Anzahl Elektroden 67, 68 und 69 auf, die durch isolierende Abstandshalter 70 und 71 voneinander getrennt sind. Beim Betrieb fließt das Seewasser durch eine Mittelbohrung 74 durch die Meßzelle 19, so daß diese ständig durchspült wird, wenn die Meßsonde absinkt, wodurch ständig neue Flüssigkeit aus der jeweiligen Wassertiefe mit den Elektroden 67, 68 und 69 in Kontakt kommt. Um irgendwelche Nebenschlüsse zwischen den Elektroden zu verhindern, welche bei Meßzellen mit zwei Elektroden erhebliche Meßfehler verursachen, besitzt die Meßzelle 19 drei Elektroden, von denen die beiden äuBeren Elektroden 67 und 69 elektrisch miteinander verbunden und an einen Anschluß 79 angeschlossen sind, während die mittlere Elektrode 68 mit einem Anschluß 80 verbunden ist.

Der Widerstand R_x zwischen den Anschlüssen 79 und 80 ergibt sich zu , _T

B 0 9 8 1 5 / 1 1 8 4

2Λ47827

wobei L„ der Abstand zwischen den Mitten der Elektroden 67 und

68 (bzw. 68 und 69, da diese Abstände gleich sind) A die Querschnittsfläche der Mittelbohrung 74, durch welche das Wasser fließt, und ^_x die Leitfähigkeit des Wassers in der Meßzelle ist.

Da L und A und damit auch ihr Verhältnis konstant sind, ver-

X X

einfacht sich die Gleichung (1) zu

R_ 1 w / >>\

X Ö X

worin K eine Zellenkonstante gleich L /A ist. χ ^{x x}

Während des Betriebes füllt das Wasser ständig die Mittelbohrung 74 der Meßzelle^ 19 aus und es ist erwünscht, den Kontakt des Wassers mit der Außenseite der Meßzelle/f 19 so gering wie möglich zu machen, weil dieser unerwünschte Schwankungen verursachen würde. Zu diesem Zwecke ist die in Fig. 2 dargestellte Hülse 20 vorgesehen. Eine andere Möglichkeit hierfür besteht darin, die Elektroden 67, 68 und 69 unmittelbar in den Körper 15 des Vorderteiles 11 einzugießen, sofern dieser^aus Isoliermaterial besteht, und eine axiale Durchflußöffnung durch die Elektroden vorzusehen.

Das Prinzip für die Messung des Leitfähigkeitsverhältnisses besteht darin, daß eine Normalprobe mit Seewasser bekannter Salzhaltigkeit mitgeführt wird und die Temperatur der Normalprobe auf im wesentlichen der gleichen Temperatur gehalten wird wie das umgebende Wasser. Die in Fig. 5 teilweise weggebrochen dargestellte Vergleichszelle 26 vermag hierzu zu dienen. Die Vergleichszelle 26 enthält zwei konzentrische dünnwandige Zylinder 83 und 84, die durch einen dünnen Film 85 aus Seewasser bekannter Salzhaltigkeit voneinander getrennt sind, beispielsweise einer Salzhaltigkeit von 35%o. Die Zylinder 83 und 84 bestehen aus einem Material mit hoher thermischer und niedriger elektri-

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-ΙΟ-

scher Leitfähigkeit sowie guten mechnaisehen Eigenschaften, beispielsweise aus Aluminiumoxid hoher Reinheit.

An beiden Enden der Vergleichszelle 26 sind Elektroden 88 und angeordnet, die mit dem zylindrischen dünnen Film 85 in Kontakt stehen und mit Anschlüssen 92 und 93 verbunden sind. Der Widerstand R zwischen den Anschlüssen 92 und 93 ergibt sich zu:

R -i ^S
worin L₁₅ der Abstand der Elektroden 92 und 93, A die Quer-

schnittsfläche des dünnen Filmes 85 aus Seewasser und ö~ die

Leitfähigkeit des Normal-Seewassers ist. Mit einer Zellenkonstante K gleich L/A vereinfacht sich die Gleichung (3) zu

^Rs "£. ^Ks

Eine flexible Dichtung 96 dient dazu, den Druck des Normal-Seewassers zwischen den Zylindern 83 und 84 an den Außendruck anzupassen.

Durch ihren Aufbau hat die Vergleichszelle 26 eine außerordentlich kurze Zeitkonstante, so daß der dünne Seewasserfilm 85 schnell auf die Temperatur des umgebenden Seewassers gebracht wird. Hierdurch kann das Leitfähigkeitsverhältnis aus Leitfähigkeiten bestimmt werden, die bei im wesentlichen der gleichen Temperatur gemessen worden sind, wie es die internationale Abmachung erfordert. Bei der Vergleichszelle 26 bleibt die Salzhaltigkeit des dünnen Seewasserfilmes 85 konstant, doch ändert sich seine Leitfähigkeit mit der Temperatur, beispielsweise in einem vorgegebenen Temperaturbereich zwischen 0,0275 mS/cm und 0,063 mS/cm. Da beide Zellen jedoch im wesentlichen die gleiche Temperatur aufweisen, ändert sich ihr Leitfähigkeitsverhältnis

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lediglich zwischen ungefähr 0,8710 (bei einer Salzhaltigkeit von 30%o) und 1,1261 (bei einer Salzhaltigkeit von 40%o).

Die beiden Zellen sind in einer elektrischen Schaltungsanordnung angeschlossen, welche ein Ausgangssignal liefert, das dem Verhältnis der Leitfähigkeiten des auf die Meßzellen 19 einwirkenden Ümgebungswassers und des Normal-Seewassers in der Vergleichszelle 26 proportional ist. Eine solche Schaltungsanordnung ist in Fig. 6 dargestellt.

In Fig. 6 ist ein Operationsverstärker 100 hoher Verstärkung mit einem nicht-invertierenden oder positiven Eingang 101 und einem invertierenden' oder negativen Eingang 102 sowie einem Ausgang 103 gezeigt. Die Meßzelle 19 ist zwischen einer Wechselspannungsquelle e, und dem negativen Eingang 102 angeordnet und die Vergleichszelle 26 in einen Rückkopplungszweig zwischen dem

Ausgang 103 und dem negativen Eingang 102 eingeschaltet. Der positive Eingang 101 ist mit einer Bezugsspannung verbunden, beispielsweise mit Masse.

Das Verhältnis der Ausgangsspannung e zu der Eingangsspannung e^ ergibt sich zu:

(5)

worin R der Widerstand der Vergleichszelle 26, R_x der Widerstand der Meßzelleji" 19 und A die Schlei fen verstärkung des Operationsverstärkers 100 ist. Da der Operationsverstärker 100 einen sehr hohen Verstärkungsgrad von beispielsweise 10 000 aufweist, vereinfacht sich die Gleichung (5) zu;

^eo ^Rs (6)

^ei ^Rx

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2U7827

Durch Einsetzen der Gleichungen (1) und (2) ergibt sich

e 1 ^Ls

ΊΓ - - ^₅ *_s (7)

= ^X i

oder mit den Zellenkonstanten:

!2 -.5^2 (8)

Da sich die Zellenkonstanten nicht verändern, kann K /K durch

S X

eine andere Konstante K ersetzt werden, so daß

^eo ⁼ "^ei^K^x (9)

Die Gleichung (9) zeigt, daß das Ausgangssignal der Schaltung nach Fig. 6 proportional dem Verhältnis der Leitfähigkeiten und daher definitionsgemäß proportional der Salzhaltigkeit der gemessenen Wasserprobe ist, weil die Anordnung der Bauteile der Meßsonde derart ist, daß die Messungen bei im wesentlichen der gleichen Temperatur erfolgen. In Fig. 6 ist in dem Rückkopplungszweig zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Operationsverstärkers 100 die Vergleichszelle 26 dargestellt, doch können die Vergleichszelle 26 und die Meßzelle 19 auch ihren Platz wechseln, wofür dann das Ausgangssignal dem Leitfähigkeits· verhältnis <ό~/ <5T ist.

S X

Wenn die Kenntnis einzelner Leitfähigkeitsmessungen zusätzlich erforderlich ist, können diese einzeln aufgezeichnet oder an die ferne Auswerteeinrichtung weitergeleitet werden, wo sie dann wie in Fig. 6 miteinander verknüpft werden können. Eine bloße über-

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Auf diese Weise wird ein Signal erzeugt, das ein Maß für die Salzhaltigkeit der Wasserprobe darstellt und somit unmittelbar an irgendeine Auswerteinrichtung weitergeleitet werden kann. Wenn die Meßsonde eine hochentwickelte Konstruktion aufweist und nach Benutzung wiedererlangt wird, kann die Auswerteeinrichtung in der Meßsonde untergebracht sein. Wenn die Meßsonde eine Wassersäule durchfällt, muß das ein Leitfähigkeitsverhältnis anzeigende Ausgangssignal mit der Wassertiefe in Beziehung gesetzt werden. Hierzu können bei Benutzung eines Aufzeichnungsgerätes gleichzeitig auch in der Meßsonde ermittelte Angaben über die Wassertiefe aufgezeichnet werden.

Wenn die Salzhaltigkeit einer Wassersäule fortlaufend bei deren Durchfallen beobachtet werden soll, befindet sich die Auswerteeinrichtung zweckmäßigerweise entfernt von der Meßsonde, beispielsweise an Bord des Schiffes, von dem die Meßsonde abgelassen wird. Zur Weiterleitung des das Leitfähigkeitsverhältnis anzeigenden Ausgangssignales von dem Ausgang des Verstärkers kann dann die Drahtspulenanordnung 59 dienen (Fig. 3), die in diesem Falle als Drahtverbindung zur übertragung elektrischer Signale ausgebildet ist.

Wenn die Kenntnis einzelner Leitfähigkeitsmessungen zusätzlich erforderlich ist, können diese einzeln aufgezeichnet oder an die ferne Auswerteeinrichtung weitergeleitet werden, wo sie dann wie in Fig. 6 miteinander verknüpft werden können. Eine bloße übertragung des Ausgangssignales über die Drahtleitung beeinträchtigt jedoch unter Umständen die Genauigkeit erheblich, weil das Signal wegen des großen Abstandes zwischen Meßsonde und Auswerteeinrichtung stark gedämpft wird. In diesem Falle ist es vorteilhaft, eine Signalumsetzung vorzunehmen, um einem Genauigkeitsverlust vorzubeugen. Hierzu kann beispielsweise ein spannungsgesteuerter Oszillator dienen, dessen Frequenz durch das die Salzhaltigkeit anzeigende Ausgangssignal bestimmt wird. Diese Lösung weist jedoch nicht die. für ein ordnungsgemäßes Funktio-

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nieren der Meßsonde wünschenswerte Einfachheit, Langzeitstabilität und Unabhängigkeit von Schwankungen der Stromversorgung oder der Umgebungstemperatur auf. Ein Beispiel für eine günstigere Lösungsmöglichkeit ist In Fig. 7 dargestellt.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 7 enthält eine erste Schaltungseinheit 108, welche ein erstes Ausgangssignal liefert, das ein Maß für eine elektrische Meßgröße ist, im vorliegenden Falle für das Leitfähigkeitsverhältnis. Die erste Schaltungseinheit 108 entspricht weitgehend der Schaltung nach Fig. 6, es sind lediglich die beiden Leitfähigkeits-Meßzellen vertauscht worden. Die Meßzelle 19 besitzt hier den Widerstand R, und liegt in dem Rückkopplungszweig des Operationsverstärkers 100 und die Vergleichszelle 26 besitzt den Widerstand R- und liegt in einem Eingangszweig.

Eine zweite Schaltungseinheit 110 liefert ein zweites Signal, das sich linear mit der Zeit verändert. Sie enthält einen Operationsverstärker 112, der ähnlich aufgebaut ist wie der Operationsverstärker 100 und in einem Rückkopplungszweig einen Kondensator C und in einem Eingangszweig einen Widerstand R₃ enthält.

Weiterhin ist ein Ausgangsverstärker 115 vorgesehen, der zwei Eingänge 117 und 118 besitzt, von denen der Eingang 117 der negative oder invertierende Eingang und der Eingang 118 der positive oder nicht-invertierende Eingang ist. Die Stromversorgungsanschlüsse für den Ausgangsverstärker 115 sind als Anschlüsse an eine positive Spannungsquelle E und an eine negative Spannungsquelle E dargestellt. Der Ausgang des Ausgangsverstärkers 115 ist mit einem Ausgangsanschluß 120 angeschlossen und an die Eingänge der beiden Schaltungseinheiten 108 und 110 zurückgeführt.

Das Ausgangssignal e~ der ersten Schaltungseinheit 108 ist in

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der beschriebenen Weise eine Spannung, die dem von den beiden Leitfähigkeits-Meßfühlern in seinem Eingangszweig bzw. seinem Rückkopplungszweig erhaltenen Leitfähigkeitsverhältnis proportional ist.

Für die Betrachtung der Arbeitsweise der zweiten Schaltungseinheit 110 braucht nur berücksichtigt zu werden, daß ein rückgekoppelter Operationsverstärker, wie der Operationsverstärker 112, danach trachtet, die Spannungen an seinen beiden Eingängen gleichzumachen. Wenn am Eingang des Widerstandes R₃ eine Rechteckwelle mit der Amplitude E liegt, ergibt sich:

E = 1R₃ (10)

worin i der sowohl durch R₃ als auch durch C fließende Strom ist. Das Ausgangssignal e, des Operationsverstärkers 112 hat dann wegen der Natur des Operationsverstärkers folgenden Wert:

-if=

β₃ - - £ 1 idt (id

Da E eine Rechteckwelle und ihre Größe ein konstanter positiver oder negativer Wert ist, wird auch i konstant, so daß sich ergibt:

e₃ = - -| . t (12)

Gleichung (12) zeigt daher, daß das Ausgangssignal e₃ sich linear mit der Zeit verändert und wegen der Natur des Operationsverstärkers 112 negativ ist, wenn E positiv ist und umgekehrt. Die beschriebenen Operationsverstärker sind bekannt und im Handel wohlfeil erhältlich.

Das Ausgangssignal e, des Operationsverstärkers 112 schaltet zwischen den Sättigungswerten E und E um, sobald die Eingangsspannungen des Ausgangsverstärkers 115 nahezu gleich sind. Bei

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einem üblichen kommerziell erhältlichen Operationsverstärker tritt das Umschalten auf, wenn die Spannungsdifferenz an seinen Eingängen den Bruchteil eines Millivolts beträgt. Das Ausgangssignal e, kann somit als Rechteckwelle betrachtet werden, die zwischen den Werten E⁺ und E~ umschaltet. Diese Rechteckwelle wird nun an die beiden Schaltungseinheiten 108 und 110 zurückgeführt.

Fig. 7A stellt das Ausgangssignal e, dar, das zwischen den Zeiten t und t, den Sättigungswert E und zwischen den Zeiten t, und t₂ den negativen Sättigungswert E aufweist. Die Zeitspanne zwischen t_Q und t₂ stellt dabei die Schwingungsdauer der Rechteckwelle dar. Da dieses Signal an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 100 angelegt wird, ist das Ausgangssignal e, entgegengesetzt, was in Fig. 7B dargestellt ist.

Die Rechteckwelle e, wird ebenfalls an den Eingang der zweiten Schaltungseinheit 110 angelegt, welche ein sich linear mit der Zeit veränderndes Ausgangssignal e- liefert, dessen Steigung durch R_3C bestimmt wird und dessen Polarität derjenigen des Eingangssignales entgegengesetzt ist. e₃ ist in Fig. 7B gestrichelt eingezeichnet. Zwischen den Zeiten t und t, nähert sich das Signal e₃ dem Signal e₂ immer mehr an und erreicht diesen Wert zum Zeitpunkt t^ Hierdurch wird der Ausgangsverstärker 115 in seinen entgegengesetzten Zustand umgeschaltet, wie aus Fig. 7A ersichtlich. Die nunmehr negative zurückgekoppelte Spannung läßt e₂ seine Polarität und e₃ seine Richtung ändern, bis zum Zeitpunkt t₂, e₂ und e₃ wieder gleich sind und dadurch den Ausgangsverstärker 115 wieder umschalten.

Wenn die positiven und negativen Versorgungsspannungen E einander gleich sind, ergibt sich die Schwingungsdauer T, mit der die Schaltung schwingt, zu

T - 4 R- C fl ' (13)

R₂

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Die Größe R₁ZR₂ ist dabei dem Leitfähigkeitsverhältnis der Vergleichszelle und der Meßzelle proportional und da R₃ und C konstant sind, ist die Schwingungsdauer T diesem Leitfähigkeitsverhältnis unmittelbar proportional und von den Versorgungsspannungen unabhängig, solange die positiven und negativen Versorgungsspannungen einander gleich sind. Allerdings verursacht eine Schwankung des VersorgungsspannungsVerhältnisses von 6% lediglich eine Veränderung der Schwingungsdauer der Ausgangsfrequenz von weniger als 0,1%. Bei einer Mittenfrequenz von 1,15 kHz können R₃ und C 2,2 kOhm bzw. 0,1 juF aufweisen* R-, der Meßzelle 19 kann zwischen 89 und 278 Ohm und R₃ der Vergleichszelle 26 zwischen 890 und 278O Ohm abhängig von der Leitfähigkeit des Wassers und der Temperatur schwanken. Mit diesen Werten ergibt sich die in Fig. 7C dargestellte Abhängigkeit der Ausgangsfrequenz von dem Leitfähigkeitsverhältnis.

Das Ausgangssignal e, hat daher eine Schwingungsdauer bzw. Frequenz, die dem Leitfähigkeitsverhältnis unmittelbar porportional ist. Dieses Signal kann nun über die Drahtverbindung 59, wie in Fig. 8 dargestellt, an die Wasseroberfläche übertragen werden, wo es einer Auswerteeinrichtung 125 an Bord des Schiffes zugeführt wird, welche aus dem Signal durch Ausmessen seiner Schwingungsdauer bzw. Frequenz das Leitfähigkeitsverhältnis bestimmt. Dies kann von Hand mit Hilfe einer Umwandlungskurve nach Fig. 7C geschehen oder automatisch in einem Computer durch Tabellenaufruf oder aber durch unmittelbare Auswertung des Ausgangssignales. Das Leitfähigkeitsverhältnis an jedem Punkt der Wassersäule muß, noch mit der Wassertiefe in Bezug gebracht werden. Dies:kann wiederum durch einen Tiefenmesser, mit einem Druckwandler geschehen, der seine Meßwerte über die Drahtverbindung 59 nach oben schickt, oder aber aus der Tatsache geschlossen werden, daß die Sinkgeschwindigkeit der Meßsonde konstant und bekannt ist. Die Stromversorgung der Meßsonde 10 geschieht von einer Stromversorgungseinrichtung über die gleiche Drahtverbindung 59, welche die Meßwerte nach oben an die Wasseroberfläche überträgt. Die Energieversorgung

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erfolgt dabei zweckmäßigerweise durch einen konstanten Gleichstrom, um den Einfluß des Drahtwiderstandes auszuschließen.

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Claims

Patentansprüche :

Ozeanographische Meßsonde mit einem dem Seewasser aussetzbaren Körper und mindestens einem Meßfühler für die Leitfähigkeit von Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Leitfähigkeits-Meßfühler (19) zur Bestimmung der Leitfähigkeit einer Wasserprobe und ein zweiter Leitfähigkeits-Meßfühler (26) zur Bestimmung der Leitfähigkeit einer Normalprobe vorgesehen sind, daß die beiden Leitfähigkeits-Meßfühler (19, 26) innerhalb des Körpers (15) der Meßsonde (1O) derart angeordnet sind, daß ihre Messungen bei im wesentlichen der gleichen Temperatur und dem gleichen Druck erfolgen, und daß eine elektrische Schaltungsanordnung (100-120) vorhanden ist, mit welcher Angaben über diese Messungen an eine Auswerteeinrichtung (125) weiterleitbar sind.

Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Schaltungsanordnung (100-120) eine elektrische Schaltungseinheit (108) aufweist, welche die beiden Leitfähigkeits-Meßfühler (19, 26) enthält und ein Ausgangssignal abzugeben vermag, das dem Verhältnis der Leitfähigkeit der Wasserprobe zu der Leitfähigkeit der Normalprobe proportional ist.

Meßsonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß eine Drahtverbindung (59) vorhanden ist, mit welcher Angaben über die Messungen an eine ferne Stelle weiterleitbar sind.

Meßsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzei chnet , daß der Körper (15) der Meßsonde (10) eine für das Burchf /allen einer Wassersäule förderliche hydrodynamische Form aufweist.

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5. Meßsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (15) der Meßsonde (10) in seinem Vorderteil (11) einen Strömungskanal (24) für den Durchtritt der Wasserprobe aufweist und die beiden Leitfähigkeits-Meßfühler (19, 26) in dem Strömungskanal (24) angeordnet sind.

6. Meßsonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Leitfähigkeits-Meßfühler (19, 26) eine zentrale Durchflußoffnung (27, 74) für den Durchtritt der Wasserprobe aus dem Strömungskanal (24) aufweisen.

7. Meßsonde nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserprobe aus dem Strömungskanal (24) die Außenseite des Leitfähigkeits-Meßfühlers (26) für die Normalprobe zu umspülen vermag.

8. Meßsonde nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Leitfähigkeits-Meßfühler (19, 26) hintereinander in dem Strömungskanal (24) angeordnet sind.

9. Meßsonde nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der zentralen Durchflußöffnung (74) des Leitfähigkeits-Meßfühlers (19) für die Wasserprobe mindestens ein Hilfs-Strömungskanal (30) angeordnet ist, der mit dem Leitfähigkeits-Meßfühler (26) für die Norma^ probe in Verbindung steht.

10. Meßsonde nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß der Leitfähigkeits-Meßfühler (19) für die Wasserprobe eine Anzahl im Abstand voneinander angeordneter ringförmiger Elektroden (67, 68, 69) aufweist, die durch isolierende Abstandshalter (70, 71) voneinander getrennt und von einer isolierenden Hülse (20) umgeben sind, die zentrale öffnungen (21) für den Durchtritt der Wasserprobe durch die ringförmigen Elektroden (67, 68, 69) besitzt.

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11. Meßsonde nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß der Leitfähigkeits-Meßfühler (26) für die Normalprobe von einem Gehäuse (37) umgeben ist.

12. Meßsonde nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (37) ein zylindrisches Mittelteil (39) aufweist, das an seiner Innenseite eine Anzahl Längsschlitze (40) enthält, und daß der Leitfähigkeits-Meßfühler (26) für die Normalprobe eine Anzahl Vorsprünge (42) besitzt, die zur Halterung des Leitfähigkeits-Meßfühlers (26) in die Längsschlitze (40) passen.

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