DE2630829C2 - Sonde für elektrochemische Messung hydrologischer Parameter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sonde mit wenigstens einem Sensor zur elektrochemischen Messung hydrologischer Parameter, insbesondere für den Langzeiteinsatz in offenen Gewässern, bestehend aus einem Gehäuse mit einer Meßelektronik und einem Sensor.

In zunehmendem Maße werden heute Meßgeräte für meerestechnische Aufgaben benötigt. Sinn und Zweck dieser Meßgeräte ist es, hydrologische Meßgrößen im Bereich der Küstengewässer, der Flußmündungen und der Binnengewässer kontinuierlich über größere Zeiträume zu erhalten, um insbesondere wirksame Maßnahmen im Rahmen des Umweltschutzes einleiten zu können. An die Meßgeräte in diesen Einsatzgebieten werden große Anforderungen bezüglich der Mechanik und der Korrosionsfestigkeit gestellt. Ein besonderes Problem beim Einsatz dieser Meßgeräte in offenen Gewässern entsteht durch den starken organischen Bewuchs, der vor allem in der warmen Jahreszeit alle nicht mit geeigneten Mitteln geschützten Oberflächen der Meßgeräte innerhalb kürzester Zeit mit einer dicken Schicht überzieht. Eine Wartung zur Reinigung von diesem Bewuchs oder eine eventuell erforderliche Nacheichung bei mangelnder Langzeitstabilität der Meßgeräte ist wegen der damit erforderlichen Bergung ίο der Geräte an die Wasseroberfläche an den meist nur durch Wasserfahrzeuge zugänglichen Meßpunkten umständlich und aufwendig. Durch die Wetterabhängigkeit können solche Wartungseinsätze auf dem Wasser durch ungünstige Wetterperioden, wie z. B. Nebel oder Eisgang erschwert, wenn nicht gar unmöglich gemacht werden. Es wird daher von den Meßgeräten ein möglichst langfristiger und wartungsfreier Einsatz verlangt.

Für die Messungen in offenen Gewässern sind als Parameter die Leitfähigkeit, die Temperatur, der Druck oder auch der Pegelstand, die Trübung, der Sauerstoffgehalt und der Säuregehalt des Wassers von Interesse. Unabhängig von der Art des Parameters betrifft das Problem des biologischen Bewuchses, z. B. Algen, Seepocken, usw. alle Sonden, die für den Langzeiteinsatz vorgesehen sind. Ein Oberflächenschutzüberzug eines Sensors für Unterwassersonden aus einer elektrisch leitfähigen metallischen Antibewuchslegierung, bei welcher der Überzug die Form einer Vielzahl einzelner voneinander getrennter Inseln besitzt, ist bereits bekannt (DT-AS 21 39 206). Mit Hilfe derartig geschützter Sensoren ist es möglich, einmal die elektrische Leitfähigkeit des Wassers zu messen, in einem anderen Fall die Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsrichtung des Wassers zu bestimmen.

Es ist auch bekannt, Sensoren für Lichtmessungen, wie z. B. Lichtmengen oder Lichtquantenmessungen, oder für Trübungsmessungen oder sonstige optische Messungen, mit einem Oberflächenüberzug aus elektrisch leitfähigen Antibewuchslegierung zu versehen (DT-AS 22 03 475).

In beiden aufgezeigten Fällen bleiben die schutzüberzugsfreien Stellen zwischen den Inseln bewuchsfrei, womit eine Beeinträchtigung der Messung vermieden wird. Es hat sich nun jedoch herausgestellt, daß man dieses Prinzip nicht für alle Sensoren von Unterwassersonden verwenden kann. Während die vorwiegend optischen Sensoren ohne weiteres mit einer durch die Maßnahmen des Bewuchsschutzes verkleinerten Oberfläche des Meßkopfes betrieben werden können, sind die Meßköpfe bei den vorwiegend mechanischen Sensoren weitgehend von diesen Überzügen freizuhalten, da sonst die Meßergebnisse verfälscht werden können. Außerdem sind diese Sensoren besonders empfindlich gegenüber im Wasser befindlichen Fremdkörpern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sonde der eingangs geschilderten Art für den Langzeiteinsatz in offenen Gewässern mit dem Ziel weiterzuentwickeln, den Meßkopf vom biologischen Bewuchs freizuhalten und zu verhindern, daß im Wasser befindliche Fremdkörper in den Bereich des Meßkopfes gelangen oder sich hier sogar festsetzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Sensor mit seinem die Meßelektroden enthaltenden Meßkopf an dem einen Ende des Gehäuses vorspringend angeordnet ist, so daß zwischen dem Meßkopf und dem anderen, ebenfalls vorsDrineen-

den Ende des Gehäuses ein spaltförmiger Raum für die zu untersuchende Flüssigkeit besteht, daß in diesem kaum ein durch einen ebenfalls in dem Gehäuse untergebrachten Motor angetriebenes und mit Flüssigkeitsleitflächen versehenes Laufrad angeordnet ist, so daß im Betrieb eine Anströmung des Meßkopfes und zugleich eine Abweisung von in der Flüssigkeit enthaltenen Fremdkörpern erfolgt, und daß das Lau^frad aus einer kupferhaltigen, den biologischen Bewuchs von Laufrad und Meßkopf verhindernden Legierung besteht.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, da3 das motorgetriebene Laufrad eine gegen den Meßkopf gerichtete Flüssigkeitsanströmung erzeugt, womit bereits im Ansatz ein biologischer Bewuchs auf dem Meßkopf und auf dem Laufrad unmöglich gemacht wird, und darüber hinaus Fremdkörper aus dem Bereich des Meßortes abgewiesen werden. Hierbei kommt der toxischen Wirkung des aus einer Kupferlegierung bestehenden Laufrades besondere Bedeutung für den Bewuchsschutz zu.

Als für die Lösung der Aufgabe förderliche Aus- und Weiterbildungen sind weitere Gestaltungsmerkmale in den Unteransprüchen 2 bis 5 angegeben.

Damit werden folgende Vorteile erreicht: Die gegenüberliegende und gering versetzte Anordnung der Achsen von Meßkopf und Laufrad führt zu einem gleichmäßigen Anströmen des Meßkopfes durch die zu messende Flüssigkeit. Durch die Art und Geometrie des Meßkopfes kann es zweckmäßig sein, Meßkopf und Laufrad im rechten Winkel zueinander anzuordnen. Die Form des Laufrades mit wenigstens einer erhabenen archimedischen Spirale führt zu einem Ansaugen der Meßflüssigkeit im Zentrum des Laufrades und einem Abfließen derselben an den Enden der Spirale. Bei einer oder mehreren Spiralen auf dem Laufrad ist stets gewährleistet, daß das Laufrad ausgewuchtet ist, so daß die Lager des Laufrades einer äußerst geringen Abnutzung unterliegen. Die Steckverbindungen zum Anschluß der Sensoren an die Sonde ersparen eine aufwendige Verkabelung. Die Übergänge zwischen der Elektronik der Sonde sind als Standardschnittstelle ausgelegt. Damit ist eine Kompatibilität der Sensoren gegeben und auch eine Integration geeigneter Sensoren möglich.

Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und sind im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Sonde in perspektivischer Darstellung,

F i g. 2 eine Prinzipskizze einer anderen Ausführungsform einer Sonde, ebenfalls in perspektivischer Darstellung,

Fig.3 ein Laufrad für beide Sondenausführungcr. in Seitenansicht im Schnitt, F i g. 3a in Draufsicht,

Fig.4 eine spezielle Ausführungsform einer Sonde im Ausschnitt und teilweise im Schnitt, wie sie vorzugsweise für Sauerstoffmessungen vorgesehen ist,

Fig. 5 eine andere spezielle Ausführungsform einer Sonde im Ausschnitt und teilweise im Schnitt, wie sie vorzugsweise für pH-Messungen vorgesehen ist.

Nach F i g. 1 besteht die Sonde aus einem Gehäuse 5, das mit einem Sensor 8 steckbar verbunden ist. Gehäuse und Sensor sind derart zueinander angeordnet, daß ein spaltfreier Raum entsteht, in dem sich ein Laufrad 2 und ein Meßkopf 1 unmittelbar gegenüberstehen. Das Laufrad 2 wird von einem im Gehäuse 5 befindlichen Motor 4 angetrieben. Das Laufrad 2 enthält an seiner dem Meßkopf 1 zugewandten Seite wenigstens eine archimedische Spirale 3. Der Meßkopf 1 ist an der dem Laufrad gegenüberliegenden Seite mit einer Membrane 6 abgeschlossen. Das Gehäuse 5 ist außerdem so beschaffen, daß es eine Meßelektronik 7 aufnehmen kann. Bei dieser Sondenausführung verlaufen die Achsen des Meßkopfes und des Laufrades in gleicher Richtung, sind jedoch gegeneinander ein wenig versetzt. Nach F i g. 2 sind das Laufrad 2 und der Meßkopf 1 im rechten Winkel zueinander angeordnet. Im übrigen gelten die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. I.

In Fig. 3 ist ein Laufrad 2 mit zwei archimedischen Spiralen 3 dargestellt. Dieses Laufrad besitzt eine Hohlwelle zum Aufsetzen auf die Welle des Antriebsmotors.

F i g. 4 verdeutlicht die Ausführungsform einer Sonde, bei der die Achsen des Meßkopfes 1 und des Laufrades 2 die gleiche Richtung aufweisen, jedoch gegeneinander versetzt sind. Im übrigen haben die Bezugszeichen die gleiche Bedeutung wie in F i g. 1.

Fig. 5 ist eine spezielle Ausführungsform einer Sonde, bei der der Meßkopf 1 parallel zum Gehäuse 5 und damit auch zum Laufrad 2 angeordnet ist. Das Laufrad 2 wird durch eine Anströmöffnung 9 mit der zu messenden Flüssigkeit versorgt, die anschließend durch ein Rohr 10 dem Meßkopf 1 zugeführt wird. Es gelten ansonsten die Bezugszeichen entsprechend Fig. 1.

Die Wirkungsweise der Sonde ist folgende: Die Sonde kann je nach Aufgabenstellung an schwimmende oder feste Geräteträger montiert werden. Die in der Sonde untergebrachte Elektronikeinheit stellt die Stromversorgung für die Sensoren bereit und prüft von der Zentralstation ausgehende Datenabrufbefehle selektiv auf die angesprochenen Sensoren. Erkennt die Elektronik in dem Abrufbefeh! den Code einer der ihr zugeordneten Sensoren, so sorgt sie für die Durchschaltung der Stromversorgung zu den Sensoren für eine relativ kurze Zeit und für die Umwandlung der analogen Meßwertinformation des Sensors in ein für eine Zentralstation bestimmtes störsicheres digitales Ausgangssignal. Die Sonde kann mit mehreren Sensoren bestückt werden, auch sind Sonderausführungen mit Erweiterung in Viererbiöcken möglich.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Sonde mit wenigstens einem Sensor zur elektrochemischen Messung hydrologischer Parameter, insbesondere für den Langszeiteinsatz in offenen Gewässern, bestehend aus einem Gehäuse mit einer Meßelektronik und einem Sensor, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (8) mit seinem die Meßelektroden enthaltenden Meßkopf (1) an dem einen Ende des Gehäuses (5) vorspringend angeordnet ist, so daß zwischen dem Meßkopf und dem anderen, ebenfalls vorspringenden Ende des Gehäuses ein spaltförmiger Raum für die zu untersuchende Flüssigkeit besteht, daß in diesem Raum ein durch einen ebenfalls in dem Gehäuse untergebrachten Motor (4) angetriebenes und mit Flüssigkeitsleitflächen versehenes Laufrad (2) angeordnet ist, so daß im Betrieb eine Anströmung des Meßkopfes (1) und zugleich eine Abweisung von in der Flüssigkeit enthaltenen Fremdkörpern erfolgt, und daß das Laufrad (2) aus einer kupferhaltigen, den biologischen Bewuchs von Laufrad und Meßkopf verhindernden Legierung besteht.

2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (1) des Sensors und das Laufrad (2) des Rührers einander gegenüber liegen, wobei ihre Achsen zueinander parallel liegen und gegeneinander gering versetzt sind (Fig. 1).

3. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (1) des Sensors und das Laufrad (2) des Rührers rechtwinklig zueinander liegen(Fig. 2).

4. Sonde nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (2) an der dem Meßkopf (1) zugekehrten Seite mk mindestens einer, vorzugsweise aber mehreren gegenüber der Grundfläche des Laufrades erhabenen archimedischen Spiralen (3) versehen ist, wobei bei η Spiralen diese jeweils um 360°/η gegeneinander versetzt sind.

5. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor oder die Sensoren in einem eigenen Gehäuse (8) untergebracht ist bzw. sind, das an das Sondengehäuse (5) angeflanscht ist, wobei in den Flanschen wasserdichte Steckverbindungen zum elektrischen Anschluß der Sensoren eingebaut sind.