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Präzisionszelle zur Messung elektrolytischer Widerstände bzw.
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Leitfähigkeiten In der Meeresforschung wird bei in situ-Messungen
der variable Salzgehalt des Meeresdurch Berechnung nach einer empirischen Formel
bestimmt, in die als direkt zu messende Parameter der Druck, die Temperatur und
die elektrische Leitfähigkeit eingehen. Durch Studien des Anmelders, s. Beilagen
über Möglichkeiten die Temperatur in situ im Meer mit Zeitauflösungen im Millisekundenbereich
zu messen, ist es notwendig geworden, auch die Meßgeschwindigkeit des Parameters
"elektrische Leitfähigkeit" wesentlich zu erhöhen. Da es sich hier um eine für viele
Fälle dringend gewordene Aufgabe der Meeresforschung handelt, liegen Lösungsversuche
von verschiedener Seite vor. S. z.B. von M. Gregg u.a., s. Beilage, über Fortentwicklungen
der Conductivity Cell von Neil Brown.
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Bei solchen Fortentwicklungen lassen sich zwei Wegeansätze unterscheiden.
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Bei dem einen als konventionell zu bezeichnenden wird die Meßzelle
von einem bekannten Grundprinzip her beibehalten, aber durch Fortentwicklungen in
der Ausführung eine weitere Zielannäherung erreicht. Die in der Anlage der Arbeit
von Gregg u. a. beschriebene Zelle ist ein Beispiel dafür. Der zweite Wegansatz,
der als inkonventionell zu verstehen ist, sucht die angestrebte Lösung durch neue
Grundprinzipien für den Entwurf einer die Forderungen erfüllenden Zelle zu erfüllen.
Ein solcher inkonventioneller Weg ist Gegenstand dieser Anmeldung.
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Er wird nachfolgend beschrieben.
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Vom Anmelder ist bereits vor vielen Jahren eine Leitfähigkeitszelle
erdacht und angemeldet worden. Sie wird unter der Bezeichnung P aktenmäßig geführt.
Ihr Aufbau ist beispielhaft und schematisch in Abb. 1 dargestellt. Sie besteht aus
einem oben und unten offenen Rohr, durch das z.B. beim Fieren das Seewasser hindurchströmt.
Die Messung erfolgt über Elektroden, von denen die Elektrodeivorzugsweise mit einem
konstanten Wechselstrom iconst gespeist wird. Die geerdeten Gegenelektroden bilden
6 und 7. Sie sind im Regelfall symmetrisch zu 1 angeordnet. Dadurch teilt sich der
einfließende Strom schematisch gemäß den eingezeichneten Pfeilern nach oben und
unten mit A. und B. a bezeichnet wesentlichsymmetrisch auf. ie Spannungsabfälle
an den Elektroden 2 u. 3 bzw. 4 und 5 werden dann zu ihrer Messung in einem angeschlossenen
Stromkreis ermittelt. Nach Kalibrierung der Zelle lassen sich mit ihr für Bereite
von 0 - 40fo Salzgehalt und den im Meer vorkommenden Temperaturverhältnissen noch
Auflösungen bis zu ein bis einigen U S/n erreichen.
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Diese vom Anmelder erdachte und realisierte Zelle war die erste Zelle
in der Meeresforschung, die vom Wasser außerhalb der Zelle praktisch keine meßbare
Beeinflußung -erfuhr. Indessen, diese Zelle war etwa 10 cm lang und wenn die Leitfähigkeit
des Meerestlassers über eine Tiefenänderung kleiner als 10 cm bereits Schwankungen
aufwies, war davon auszugehen, daß die Stromverteilung von der Elektrode 1 nach
oben und unten wie dies mit den gestrichelt gezeichneten Pfeilen angedeutet sei,
unsymmetrisch. Das bedeutet aber, daß selbst in dem Fall, bei dem z.B. die Leitfähigkeit
nur zwischen den Elektroden 4 und 5 gemessen wurde, der Meßwert auch durch die Leitfähigkeit
des übrigen Meerwassers oberhalb der Elektroden 4 und 5 beeinflußt wird. D.h., eine
unter der Länge einer Wassersäule von 10 cm vorhandene Feinstruktur im Salzgehalt,
konnte nicht gemessen werden. Bei einer Fiergeschwindigkeit von etwa 1 m/sek entspricht
diesem Sachverhalt eine Verschmierung von moglichen Feinstrukturen über einen Zeitbereich
von 100 m Sek. Mit den Temperatursensoren des Anmelders lassen sich demgegenüber
Zeitauflösungen von etwa 4-5 m Sek erreichen, was bei einer Fiergeschwindigkeit
von 1 m Sek. eine vertikale Schichtungsauflösung von 0,5 cm erlaubt. Die bekannt
gewordenen konventionellen Lösungen+lur ausreichenden Steigerung der Schichtungsauflösung
im Meer kommen auch nicht entfernt an diesen Wert heran.
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Erfindungsgemäß hat derAnmelder daher einen inkonventionellen Weg
zur Aufgabenlösung beschritten. Er ist schematisch in Abb. 2 beispielhaft dargestellt
Danach besteht die Zelle nunmehr in Anlehnung an die Bezeichnungen in Abb. 1 aus
den geerdeten Elektroden 6 und 7, der stromzuführenden Elektrode 1 und den Elektroden
4 und 5 zwischen denen zur Bestimmung der Leitfähigkeit die dort vorliegende Spannungsdifferenz
hochohmig abgenommen wird. Zum entscheidenden Unterschied qeeenüber der Anordnung
in Abb. 1 fehlen im oberen Teil über der Elektrode 1 von 2 und 3. Dafür wird eine
neue Elektrode 1a zusätzlich angebracht. Dieser Elektrode wird nun ein gesteuerter
Wechselstrom zugeführt evtl. additiv, wobei die Steuerung so erfolgt, daß das Raumgebiet
zwischen den Elektroden 1 und la elektrisch feldfrei gemacht wird. Demzufolge fließt
der Meßstrom const über die Elektrode 1 nur in Richtung der Pfeile im unteren Teil
zur geerdeten Elektrode 7 bzw. in das äußere geerdete Meerwasser. Und der seiner
Richtung nach entgegengerichtete Strom fließt von der Elektrode la nach 6 bzw. dem
oberen geerdeten äußeren Meerwasser. Zur Erzielung des elektrisch feldfreien Raumes
zwischen den Elektroden 1 und la +) von Leitfähigkeitsmessungen
wird
irgend eine geeignete Steuerschaltung benutzt. Im Beispiel der Abb 2 wird sie realisiert
durch einen Operationsverstärker Op, der durch den Spannungsabfall der Elektrode
1 gegen Erde zu einem konstanten Wechselstrom im in die Elektrode la über den Widerstand
R einen additiven oder substraktiven Strom zusätzlich so einspeist, daß die Elektroden
la und 1 stets auf gleichem Potential liegen. Der Strom im ist der für die Elektrode
l benötigte Grundstrom. Dadurch wird die Steuerung auf einenwesentlich kleineren
Zusatzstrom beschränkt.
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Mit dieser Anordnung wird daher erreicht, daß der im Raumgebiet zwischen
den Elektroden 4 und 5 gemessene Spannungsabfall nur von der Leitfähigkeit des Mediums
in'dieser Wasserschicht abhängt. Die vertikale Wasserschichtungsauflösung wird daher
nur durch den Elektrodenabstand zwischen 4 und 5 bestimmt.
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Er hängt von der Gesamtdimensionierung der Zelle ab und kann auch
extrem klein gemacht werden.
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Bei größeren Rohrdurchmessern und nur bei der Verwendung von Ringelektroden
oder sogar nur von Teilen von diesen sowie durch Grenzschichtvorgänge an den Elektroden
1 und la kann es vorkommen, daß die Elektrode la zur Schaffung eines elektrisch
feldfreien Raumes zwischen den Elektroden 1 und la allein nicht ausreicht. Für diese
Fälle zeigt die Abb. 3 schematisch Ergänzungen durch die Elektroden 1b und 1c mit
den Operationsverstärkern Top , opII und deren Widerständen RI und RII. Da diese
Elektroden nur sehr geringe zusätzliche Steuerströme benötigen, i im, können sie
an ihre Elektroden sehr hochohmig angeschlossen und diese selbst hinsichtlich ihrer
geometrischen Oberfläche sehr klein ausgeführt werden.
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Eine gewisse Abwandlung des Meßprinzips ergibt sich mit der Anordnung
nach Abb. 4a, b und Abb. 5. Abb. 4a zeigt schematisch ein Rohr mit rechteckigen
oder auch quadratischen Querschnitt . Dieses Rohr hat die Kanten K1, K2, K3, K4,
K5, K6, K7 und K8. Es wird beim Fieren in der Richtung von der geerdeten Elektrode
E2 und E1 durchströmt. Die Elektroden sind so angeordnet, daß der Meßstrom const
als Wechselstrom in die Elektrode 1 eingespeist wird und aus der Elektrode 1 wieder
austritt. Der Meßstrom fließt bei dieser Zelle daher quer zur Richtung das Wasserdurchflusses.
Die Meßelektroden z.B. ES und ES2' die in den Abb. 1-3 den Abnahmeelektroden 4 und
5 entsprechen, sind also an den Querwänden des rechteckigen Rohres gegenüber der
Stromdurchflußrichtung von i const von den Elektroden 1
nach 1'
angebracht. Zusätzlich und unabhängig davon können auch noch Abnahmeelektroden ES
und Es' angebracht werden. Sie können auch paarweise 2 2 mit Höhenunterschieden
angebracht werden, in welchem Falle sie Leifähigkeitsdifferenzmessungen erlauben
würden. Die Abb. 5 zeigt die gleiche Anordnung in einer Querschnittszeichnung mit
dem Blick von oben auf das Rohr der Abb.4a, b.
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Diese Anordnung kann auch mit symmetrischen Eingangsströmen an dem
Elektrodenpaar 1 und 1' gespeist werden.
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Um nun auch für solche Anordnungen zu erreichen, daß das elektrische
Feld zwischen den Elektroden 1 und 1' homogen ist, sind weitere Elektrodenpaare
2 und 2' und 3 und 3' angebracht. Sie können im Bedarfsfall auf .Rsbis und 3' bis
n' bzw. 4 bis n und 4' bis n'erweStert werden. Die Beschaltung erfolgt dann zur
Homogenisierung des elektrischen Feldes in erster Linie zwischen den Elektroden
1 und 1' durch Steuerschaltungen analog dem Beispiel in Abb. 2 und 3.
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Ein Realisierungsbeispiel zeigt schematisch die Abb. 6. Grundprinzip
der Anmeldung ist, daß der Strombereich, über dessen Teilabschnitten die Leitfähigkeitsmessung
erfolgt, so streng homogen gesteuert wird, daß im Falle der Abb. 4-6 keine vertikale
Stromkomponenten auftreten. Das kann durch Korrekturen erreicht werden, für die
in Abb. 6 lediglich für die Elektrode 3' ein Beispiel wiedergegeben ist. In Abb.
6 fließt der zu messende Elektrolyt in Richtung des Doppelpfeiles von unten nach
oben Der Strom der eigentlichen Meßstecke ist von der Elektrode 1 nach 1' gerichtet.
Das Feld zwischen diesen Elektroden wird zunächst schon mechanisch symmetrisch und
präzise ausgeführt.
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Evtl. vertikale Querkomponenten werden durch die Felder zwischen den
Elektrodenpaaren 2 und 2' bzw. 3 und 3' und evtl. weiterenrnterbunden. Reststorungen
werden durch die Steuerung ausgeglichen, die im Beispiel der Abb. 6 durch den Operationsverstärker
OP und die Widerstände R1 und R2 und R3 erfolgen.
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Von Dimensionierungsmöglichkeiten her gesehen, kann eine Anordnung
mit rechteckigem Querschnitt gewisse Vorteile vor anderen bieten. Der Schutzumfang
soll auf die gewählten Beispiele der -Abbildungen nicht beschränkt sein. Auch sind
für sie Anwendungen in Betracht zu ziehen, die mit meereskundlichen Forschungsproblemen
in keinen Zusammenhang stehen.
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In den folgenden Ansprüchen wird davon ausgegangen, daß das gemeinsame
Er findungsmerkmal für Anordnungen elektrolytischer Präzisionsmeßzellen nach den
beispielhaften Abb. 1 - 6 in elektrischen und mechanischen Einwirkungen auf eine
strenge und definierbare Festlegung des Meßstromes, seiner Strombahn und des durchströmten
Elektrolytvol umens besteht.
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L e e r s e i t e