DE2659400A1

DE2659400A1 - Elektrolytische messeinrichtung

Info

Publication number: DE2659400A1
Application number: DE19762659400
Authority: DE
Inventors: Earl Richard Lind
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1975-12-29
Filing date: 1976-12-29
Publication date: 1977-07-07
Also published as: DE2659400C2; FR2337338A1; FR2337338B1; CA1069976A; GB1520349A; IT1074784B; JPS5283279A; US4072892A

Description

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, den 29- Dezember 19/6 Arnvaltsnktenz. : 2? - Tat. I52

Raytheon Company, l4l S]IrIn^ Street, Lexington, MA 02173, Vereinigte Staaten von Amerika

Elektrolytische Meßeinrichtung

Elektrolytische Meßeinrichtungen umfassen Meßköpfe mit Elektroden, die in eine Flüssigkeit zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit dieser Flüssigkeit eingetaucht "werden. Derartige Meßköpfe werden häufig in kommunale Abwasser oder industrielle Abwasser mit chemischen Bestandteilen eingetaucht, die unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes innerhalb des Meßkopfes reagieren und an den Elektroden sowie an der metallischen Abschirmung oder dem Gehäuse, das zur Ausbildung der elektrischen Felder und zur Kontrolle der Erdströme dient, um eine genauere Messung der Flüssigkeitswerte zu ermöglichen, Beschläge verursachen. So liefert beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit einer

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Kochsalzlösung ein Maß für die Ionenkonzentration der Lösung.

Bei der Messung der elektrischen Leitfähigkeit ergeben sich häufig zwei Probleme:

1. Neigen die Meßköpfe, insbesondere bei Verwendung in Abwässern mit groben Verunreinigungen, dazu zu verstopfen, weil Haare, Äste oder andere pflanzliche oder tierische Bestandteile im Meßkopf eingefangen werden und den Flüssigkeitsstrom behindern.

2. Neigen die bereits erwähnten elektroehemischen Reaktionsprodukte dazu, sich auf den Elektrodenoberflächen niederzuschlagen und den Elektrodenwiderstand zu vergrößern, so daß die Verteilung des elektrischen Feldes zwischen den einzelnen Elektroden oder zwischen den Elektroden und der Abschirmung beeinflußt wird. Weiterhin beeinflußt der vergrößerte Elektrodenwiderstand die Amplitude der Ströme durch die Flüssigkeit, so daß die Eichung der Meßeinrichtung verlorengeht.

Die genannten Probleme lassen ach umgehen und zusätzliche Vorteile sich erzielen, wenn zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit von Flüssigkeiten elektrolytische Meßeinrichtungen verwendet werden, die sicher gegen Verstopfungen sind und Messungen erlauben, die im wesentlichen unabhängig von sich auf den Elektrodenflächen absetzenden elektrochemischen Ausfällungen sind. Eine derartige elektrolytische Meßeinrichtung gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Meßkopf mit einem Durchlaß für Flüssigkeiten mit einer Begrenzung durch eine innere und eine äußere zylindrische Fläche, durch eine Reihe von in die Begrenzung eingelassenen und entlang der Achse des Durchlasses angeordneten Elektroden für die Kontaktgabe mit der Flüssigkeit, durch Schaltmittel zum Anschluß der äußeren, symmetrisch zur Mitte der Elektrodenanordnung angeordneten Elektroden an eine Spannungsquelle, durch Schaltmittel zur Messung des Stromflusses zwischen den äußeren Elektroden und einer Mittelelektrode der Elektrodenan-

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Ordnung und durch Schaltmittel zur Erzeugung eines elektrischen Feldes konstanter Stärke zwischen den äußeren Elektroden und der Mittelelektrode der Elektrodenanordnung unabhängig vom Widerstand dieser Elektroden.

Die elektrolytische Meßeinrichtung umfaßt .also einen Meßkopf mit einem Flüssigkeitsdurchlaß von glatter Oberfläche ohne Kanten. Die Oberflächenbegrenzungen dieses Durchlasses haben zylinderförmige Gestalt. Dabei sind nicht nur die die Elektroden tragenden Oberflächenbegrenzungen, sondern auch alle übrigen Oberflächenbegrenzungen des Durchlasses vorzugsweise aus Isolationsmaterial. Die Elektroden sind entlang des Durchlasses angeordnet und in die Begrenzung eingelassen, so daß von der Flüssigkeit mitgeführte Feststoffe nicht daran hängen bleiben können. Mittels des Anschlusses der äußeren Elektroden an eine Spannungsquelle können sich zwischen diesen undder Mittelelektrode symmetrisch aufgebaute elektrische Felder ausbilden, die einen Stromfluß zwischen den äußeren Elektroden und der Mittelelektrode durch die zu prüfende Flüssigkeit ermöglichen, wenn letztere mit dem Gegenpotential der Spannungsquelle verbunden ist, wobei die Stärke des Stromflusses ein Maß für die Leitfähigkeit der zu prüfenden Flüssigkeit darstellt. Die weiteren Schaltmittel zur Konstanthaltung der Stärke der elektrischen Felder machen darüber hinaus die Messung unabhängig von Widerstandsänderungen der Elektroden infolge des Absetzens von elektrochemischen Reaktionsprodukten.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird die den äußeren Elektroden zugeführte Spannung durch einen Rückkopplungskreis beeinflußt, für den die Regelspannung von zwischen der mittleren und den äußeren Elektroden angeordneten Elektroden abgeleitet wird. Diese zusätzlichen Elektroden überwachen die Stärke der elektrischen Felder und beeinflußen die den äußeren Elektroden zugeführte Spannung so, daß die Stärke der elektrischen Felder unabhängig von Schwankungen der Elektrodenwiderstände kons tant bleibt.

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Die Wirksamkeit der Meßeinrichtimg kann darüber hinaus wesentlich gesteigert werden, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung eine geerdete metallische Abschirmung außerhalb der Begrenzung und symmetrisch mit Bezug auf die äußeren Elektroden angeordnet ist. Dadurch bleibt die Gestalt des eingeprägten elektrischen Feldes trotz Beschlagen der Elektroden infolge elektrochemischer Reaktionen weitgehend unverändert. Vorzugsweise sind die beiden äußeren Elektroden der Elektrodenanordnung dabei gegenüber den Enden der Abschirmung angeordnet, während die mittlere Elektrode gegenüber dem Zentrum der Abschirmung liegt. Dabei ist die Anbringung der Abschirmung an der Außenseite des Meßkopfes insbesondere dann von Vorteil, wenn der Meßkopf in enger Nachbarschaft zu anderen Meßfühlern eingesetzt wird, da die Abschirmung von diesen anderen Meßfühlern herrührende elektrische Felder abhält und eine Beeinflussung der anderen Meßfelder durch das eigene elektrische Feld verhindert. Eine besonders einfache Gestaltung des Meßkopfes ist gekennzeichnet durch einen zylindrischen Stab aus Isolationsmaterial, in. dessen Außenwand die Elektroden nebeneinander bündig eingelassen sind, durch eine zum Stab konzentrisch angeordnete Zylinderhülse aus Isolationsmaterial mit größerem Durchmesser, wobei der Ringspalt zwischen Stab und Hülse den Durchlaß bildet, und durch eine die Zylinderhülse umgebende Abschirmung, die symmetrisch mit Bezug auf die äußeren Elektroden der Elektrodenanordnung angeordnet ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung seien nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die Figur der Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung eine elektrolytische Meßeinrichtung 20, die aus einem Meßkopf 22 in perspektivischer Darstellung mit teilweiser: Entfernung der Außenteile, um darunterliegende Teile zu zeigen, und einer mit dem Meßkopf gekoppelten elektronischen Schaltungseinheit 24. besteht, die in Form eines Blockschaltbildes wiedergegeben ist.

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Der Meßkopf -weist einen zylinderförmigen metallischen Schirm 26 auf, der über den Linienzug 28 mit der Erde 30 in der elektronischen Schaltungseinheit 24 verbunden ist. Der Schirm 26 ist über ein Gewinde 32 durch Aufschrauben an einem Stab 34 befestigt, der eine zylindrische Oberfläche 36 hat, die die innere Begrenzung des Durchflusses 38 für die Flüssigkeit bildet, wobei die Flüssigkeit am Boden des Meßkopfes 22 eintritt und durch Öffnungen 40 am oberen Ende des Meßkopfes 22 wieder austritt. Die äußere Begrenzung des Durchlasses 38 wird durch eine an der Innenfläche des Schirmes 26 anhaftende Einlage 42 gebildet. Sowohl der Stab 34 als auch die Einlage 42 bestehen aus elektrisch nichtleitendem Isolierstoff, zum Beispiel Polyvinylchlorid oder Kunstharz.

Die Elektroden für die Erzeugung eines elektrischen Feldes innerhalb der den Durchlaß 38 passierenden Flüssigkeit können an der inneren oder äußeren sowie an beiden Begrenzungsflächen des Durchlasses 38 angebracht sein. Bei dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 44 in die Oberfläche des Stabes 34 eingelassen, und zwar sind es sieben Elektroden, die im einzelnen mit T1 bis T7 bezeichnet sind. Die untere und die obere Randzone des elektrisch leitenden Schirmes 26 sind mit T8 bzw, T9 bezeichnet, um die Erläuterung des sich zwischen den einzelnen Elektroden 44 sowie des sich zwischen den Elektroden 44 und den beiden Randzonen des Schirmes 26 ausbildenden elektrischen Feldes zu erleichtern.

Der Stab 34 weist an seinem oberen Ende eine Verdickung 46 auf, die mit ihrer Unterseite den Durchlaß 38 begrenzt und die Flüssigkeit durch die öffnungen 40 leitet. Die Verdickung 46 trägt auch das bereits erwähnte Gewinde 32 für die Befestigung des Schirmes 26. Weiterhin weist die Verdickung 46 einen umlaufenden Ansatz 48 auf, der außerhalb des Schirmes 26 liegt und über diesen hinausragt. Durch diesen Ansatz wird der Meßkopf 22 gehalten, wenn er zum Beispiel durch eine Öffnung in einen nichtgezeigten Behälter mit Flüssigkeit gehängt wird, deren Leitfähigkeit zu messen ist.

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Die sieben Elektroden 44 sind symmetrisch zu dem zwischen den beiden Randzonen T8 und T9 liegenden Teil des Schirmes 26 angeordnet, wobei die Elektrode T4 in der Mitte nahe der Mitte der Einlage 42 liegt. Die Elektroden 44 sind gemäß der schematischen Darstellung über Linienzüge 50 mit der elektronischen Schaltungseinheit 24 verbunden, während die tatsächliche Verbindung durch die Leitungen 52 hergestellt wird. Für die Herstellung des Stabes 34 werden die Elektroden und die Leitungen

in von einer Montagevorrichtung gehalten,/die dann Kunstharz zwischen die Elektroden 44 und die Leitungen 52 eingebracht wird, das dann erhärtet. Eine zusätzljdie Leitung 54 ist mit dem Schirm 26 verbunden, um diesen zu erden, was schematisch durch den Linienzug 28 angedeutet ist.

Die elektronische Schaltungseinheit 24 besteht aus vier Differenzverstärkern 56, 58, 60 und 62, einem Impedanznetzwerk 64 im Rückkopplungskreis des Verstärkers 62, einem Verstärker 66, einem Widerstand 68 zwischen der Elektrode T4 und der Erde 30, einer SpannungsqueHe 70, einem Detektor 72 und einem Meßinstrument 74.

Die Spannungsquelle 70 liefert über die Verstärker 60 und 62 Spannung an die Elektroden T1 und T7 zur Ausbildung eines elektrischen Feldes zwischen der Elektrode T1 und der unteren Randzone T8 des Schirmes 26 sowie der Elektrode T7 und der oberen Randzone T9 des Schirmes 26. Da die Elektrode T4 über den Widerstand 68 ebenfalls geerdet ist, bildet sich weiterhin ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden T1 und T4 sowie T7 und T4 aus. Ein elektrischer Strom fließt daher durch den Widerstand 68, dessen Amplitude von der Stärke des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden T1 und T4 und der des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden T7 und T4 abhängig ist. Die Stärke des Stromes ist des weiteren von der elektrischen Leitfähigkeit der den Durchlaß 38 durchströmenden Flüssigkeit und dem Widerstand der Elektroden T1, T4 und T7 abhängig, insbesondere vom Widerstand irgendwelcher Beschläge oder Materialausscheidungen an diesen Elektroden, die aufgrund elektrochemischer Reaktionen von Substanzen der Flüssigkeit innerhalb des Durchlasses

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38 bei Einwirken der erwähnten elektrischen Felder entstehen.

Der durch den Widerstand 68 bei Anschluß an die Spannungsquelle 70 fließende Strom ist ein Maß für den Grad der Leitfähigkeit der überprüften Flüssigkeit, wenn die erzeugten elektrischen Felder eine vorgegebene Stärke aufweisen. Obwohl der durch den Widerstand 68 fließende Strom ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom sein kann, wird ein Wechselstrom bevorzugt, da er im Gegensatz zum Gleichstrom eine Polarisierung der Elektroden 44 verhinderte Eine solche Polarisierung ist bedingt durch elektrochemische Reaktionen an den Oberflächen der Elektroden 44, was zur Ausbildung zusätzlicher elektrischer Felder führen kann, so daß die Genauigkeit der Leitfähigkeitsmessung beeinträchtigt wird. Die Spannungsquelle 70 ist daher eine Wechselspannungsquelle, zum Beispiel ein Oszillator mit veränderlicher Frequenz, wobei die Frequenz der Schwingungen auf eine Frequenz einstellbar ist, die innerhalb der Bandbreite des nachfolgend näher erläuterten Rückkopplungskreises liegt.

Um die Summe der die Flüssigkeit durchsetzenden elektrischen Felder zwischen den Elektroden T1 und T4 einerseits und T7 und T4 andererseits auf einem konstanten Wert zu halten - dieser Wert entspricht dem Spitzenwert des Wecrhselstromsignals - wird die Stärke des elektrischen Feldes jeweils mit den zwischen der inneren Elektrode T4 und den äußeren Elektroden T1 und T7 liegenden Elektroden überwacht, die die Verstärker 56 und 58 mit entsprechenden Signalen versorgen. Diese Verstärker 56 und 58 bilden über die Steuereingänge des Differenzverstärkers 60 mit der Wechselspannungsquelle 70 einen Rückkopplungskreis zur Sicherung eines vorgegebenen Verhältnisses zwischen der Stärke des elektrischen Summenfeldes und der Spannungsamplitude der Spannungsquelle 70. Die von der Spannungsquelle 70 gelieferte Spannungsamplitude wird durch den Drehknopf 76 eingestellt. Infolge der Rückkopplung läßt sich die Stärke des die Flüssigkeit durchsetzenden elektrischen Summenfeldes durch Drehen des Knopfes 76 auf einen gewünschten Wert voreinstellen und aufrechterhalten.

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• 40-Die Elektroden T5 und Τ6 überwachen die Stärke des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden T4 und T7 und die Elektroden T2 und T3 die des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden T4 und T1. Die Elektroden T6 und T5 sind demzufolge mit dem nichtinvertierenden (Plus-Eingang) und mit dem invertierenden (Minus-Eingang) Eingang des Verstärkers 56 verbunden, während die Elektroden T2 und T3 mit den Eingängen des Verstärkers 58 verbunden sind. Die Eingangsimpedanzen dieser Verstärker 56 und 58 sind ausreichend groß, so daß der von den angeschlossenen Elektroden

gezogene Strom vernachlässigbar ist. Die Ausgangssignale beider Verstärker 56 und 58 werden an dem Minus-Eingang des Verstärkers 60 addiert, was durch nicht dargestellte geeignete Widerstände erfolgt.

Der Verstärker 62, der das Eingangssignal des Verstärkers 60 an die Elektroden T1 und T7 weiterleitet, arbeitet mit veränderlichem Verstärkungsgrad, der von Hand auf einen geeigneten Wert eingestellt werden kann, um die Stabilität der großen Rückkopplungsschleife zu sichern. Die über das Impedanznetzwerk 64 verlaufende kleine Rückkopplungsschleife am Verstärker 62 wirkt als Filter und vergrößert so ebenfalls die Stabilität der großen Rückkopplungsschleife. Das Impedanznetzwerk 64 besteht in an sich bekannter Weise aus mehreren Widerständen und Kondensatoren. Das Schleifensignal, nämlich die Differenz zwischen der dem Plus-Eingang des Verstärkers 60 von der Spannungsquelle 70 zugeführten Spannung und der von den Verstärkern 56 und 58 dem Minus-Eingang des Verstärkers 60 zugeführten Signalspannungen, wird unabhängig von den vorangehend erwähnten, durch Beschläge der Elektroden 44 beeinflußten Elektrodenwiderständen auf einem kleinen Wert gehalten.

Die Minus-Eingänge der Verstärker 56 und 58 sind mit den Elektroden 44 verbunden, die der inneren Elektrode T4 benachbart sind, während die Plus-Eingänge dieser Verstärker mit den Elektroden 44 verbunden sind, die den äußeren Elektroden T7 und T1 benachbart sind. Diese Symmetrie der Verknüpfung ergibt sich aus der symmetrischen Ausbildung der elektrischen Felder im Durchlaß 38.

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•■to.

Wenn zum Beispiel die Elektrode T7 mit einer positiven Spannung beaufschlagt ist, dann ist auch die Elektrode T1 mit derselben pesitiven Spannung beaufschlagt, so daß die elektrischen Felder von den Elektroden T7 und T1 aus zur Elektrode T4 gerichtet sind. Infolgedessen entspricht die Richtung des einen elektrischen Feldes der Flußrichtung der Flüssigkeit, während die des anderen elektrischen Feldes der Flußrichtung entgegengesetzt gerichtet ist.

Die am Widerstand 68 abfallende Spannung "wird durch den Verstärker 66 verstärkt und dem Detektor 72 zugeführt, der die Spitzenspannung des zugeführten Wechselspannungssignals feststellt. Das Ausgangssignal des Detektors 72 steuert dann ein Meßinstrument, das so geeicht ist, daß die Leitfähigkeit der Flüssigkeit im Durchlaß 38 unmittelbar abgelesen werden kann.

Während des Betriebes wird also die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden T6 und T5, die durch das zwischen den Elektroden T7 und T4 eingeprägte elektrische Feld bedingt ist, durch den Differenzverstärker 56 überwacht. In gleicher Weise wird die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden T2 und T3, die durch das zwischen den Elektroden T1 und T4 eingeprägte elektrische Feld bedingt ist, mit dem Differenzverstärker 58 überwacht. Die Ausgangssignale beider Verstärker 56 und 58 wirken als Rüclkkopplungssignal in der Rückkopplungsschleife, die das Rückkopplungssignal zur Angleichung an die von der Spannungsquelle 70 gelieferte Spannung zwingt. Die Rückkopplungsschleife verändert die den Elektroden T1 und T7 zugeführte Spannung in Abhängigkeit von der durch elektrochemische Reaktionen bewirkte!Widerstandsänderung an den Elektroden 44, so daß die Summe der elektrischen Felder durch die elektrochemischen Reaktionen nicht beeinflußt wird.

Die Anordnung der Elektroden 44 in Bezug auf Isolationseinlage 42 und die Abschirmung 26 ist symmetrisch, so daß auch das Muster des elektrischen Feldes symmetrisch ist. Von der Elektrode T7 bzw. T1 durch die Flüssigkeit zur Randzone T9 bzw. T8

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der Abschirmung fließende Erdströme werden von der Umgebung der Elektrode T4, in der die Leitfähigkeitsmessung durchgeführt wird, ferngehalten. Ebenso verhindert die Abschirmung 26, daß außerhalb des Meßkopfes 22 verursachte Ströme oder elektrische Felder auf die Umgebung der inneren Elektrode T4 einwirken. Auf diese Weise wird der eigentliche Bereich, in dem die Leitfähigkeitsmessung durchgeführt wird, durch ein elektrisches Feldmuster geschützt, das trotz Beschlagen der Elektroden infolge elektrochemischer Reaktionen unverändert bleibt. Auch werden elektrische Felder vorgegebener Richtung und Stärke innerhalb des Meßbereiches unabhängig von einer Beeinflussung der Elektroden 44 durch elektrochemische Reaktionen aufrecht erhalten.

Die vorangehend erläuterte Anordnung stellt lediglich ein mögliches Ausführungsbeispiel dar, das auf verschiedene Art abgewandelt werden kann, ohne daß der eigentliche Erfindungsgedanke dadurch berührt wird. Demgemäß beschränkt sich die Erfindung auch nicht auf das Ausii···'. ungsbeispiel.

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Claims

2659A00

Patentansprüche

Elektrolytische Meßeinrichtung, gekennzeichnet durch einen Meßkopf (22) mit einem Durchlaß (38) für Flüssigkeiten mit einer Begrenzung durch eine innere und eine äußere zylindrische Fläche (36 bzw. 42),

durch eine Reihe von in die Begrenzung eingelassenen und entlang der Achse des Durchlasses (38) angeordneten Elektroden (44) für die Kontaktgäbe mit der Flüssigkeit, durch Schaltmittel (60, 62) zum Anschluß der äußeren, symmetrisch zur Mitte der Elektrodenanordnung angeordneten Elektroden (z.B. T1 und T7) an eine Spannungsquelle (70), durch Schaltmittel (68, 66, 72, 74) zur Messung des Stromflusses zwischen den äußeren Elektroden (T1 und T7) und einer Mittelelektrode (T4) der Elektrodenanordnung, und durch Schaltmittel (T2, T3, T5, T6, 56, 58, 6θ) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes konstanter Stärke zwischen den äußeren Elektroden (T1 und T7) und der Mittelelektrode (T4) der Elektrodenanordnung unabhängig vom Widerstand dieser Elektroden.
2. Elektrolytische Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den äußeren Elektroden (T1 und T7) zugeführte Spannung durch einen Rückkopplungskreis beeinflußt wird, für den die Regelspannung von zwischen der mittleren (Τ4) und den äußeren Elektroden (T1 und T7) angeordneten Elektroden (z.B. T2, T3 und T5, T6) abgeleitet wird.
3. Elektrolytische Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine geerdete metallische Abschirmung (26) außerhalb der Begrenzung und symmetrisch mit Bezug auf die äußeren Elektroden (TI und T7) angeordnet ist.
4. Elektrolytische Meßeinrichtung nach Anspruch 3t dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Elektroden (T1 und T7) an gleichem Potential gegenüber der geerdeten Abschirmung (26)

liegen.

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Meßkopf für die elektrolytische Meßeinrichtung nach Anspruch 3 der 4, gekennzeichnet durch

einen zylindrischen Stab (34) aus Isolationsmaterial, in dessen Außenwand (36) die Elektroden (44) nebeneinander bündig eingelassen sind,

eine zum Stab (34) konzentrisch angeordnete Zylinderhülse (42) aus Isolationsraaterial mit größerem Durchmesser, wobei der Ringspalt zwischen Stab (34) und Hülse (42) den Durchlaß (38) bildet, und durch

eine die Zylinderhülse umgebende Abschirmung 26, die symmetrisch mit Bezug auf die äußeren Elektroden (T1 und T7) der Elektrodenanordnung (44) angeordnet ist.

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