DE4132432A1

DE4132432A1 - Messspitze zur messung der kleinskaligen struktur der elektrischen leitfaehigkeit in fluessigkeiten

Info

Publication number: DE4132432A1
Application number: DE19914132432
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dr Sc Nat Prandke
Original assignee: Hartmut Dr Sc Nat Prandke
Current assignee: PRANDKE, HARTMUT, DR.SC.NAT., 17213 ADAMSHOFFNUNG,
Priority date: 1991-09-28
Filing date: 1991-09-28
Publication date: 1993-04-01

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung in Form einer Meßspitze Zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit in wäßrigen Flüssigkeiten, die eine Relativbewegung in Richtung der Längsachse der Meßspitze aufweisen, wobei die Meßspitze einen äußerst robusten Aufbau aufweist und eine Verschmutzung durch im Wasser schwimmende Pflanzen und Tiere weitgehend vermieden wird. Sie ist besonders geeignet zur Erfassung der kleinskaligen Struktur der elektrischen Leitfähigkeit in marinen und limnischen Gewässern.

Charakterisierung des bekannten Standes der Technik

Die Untersuchung kleinskaliger Strukturen des Dichtefeldes in marinen und limnischen Gewässern erfordert die Messung der elektrischen Leitfähigkeit bis hin zu Skalen im Zentimeter- und Millimeterbereich. Die Registrierung der Leitfähigkeit erfolgt dabei im allgemeinen längs eines Vertikalprofiles mit Hilfe kabelgebundener oder frei sinkender Sonden, die mit einem geeigneten Meßfühler ausgerüstet sind. Neben hoher Empfindlichkeit und Meßwertauflösung müssen die Sensoren auch weitgehend unempfindlich gegen Stöße und Erschütterungen sein, die bei Feldarbeiten nicht zu vermeiden sind, sowie durch ihre konstruktive Gestaltung einer Verschmutzung durch im Wasser schwimmende Pflanzen und Tiere entgegenwirken.

Es sind verschiedene räumlich hochauflösende Meßspitzen zur Erfassung der elektrischen Leitfähigkeit bekannt, wobei Ein- und Mehrelektroden-Systeme zum Einsatz kommen. Meßspitzen mit nur einer sehr feinen Elektrode werden in [1] und [2] beschrieben. Derartige Meßspitzen weisen eine hohe räumliche Auflösung auf, sind aber, bedingt durch die sehr feinen Elektroden sehr empfindlich gegenüber mechanischen Beanspruchungen. Nachteilig ist außerdem die mit diesen Meßspitzen erreichbare geringe Absolutgenauigkeit, die durch die hohe Stromdichte auf der Oberfläche der extrem kleinen Elektrode verursacht ist.

Weiterhin sind Elektrodensysteme mit frei in das Meßmedium ragenden drahtförmigen Elektroden bekannt [3], [4]. Derartige Meßspitzen sind empfindlich gegen mechanische Belastungen (seitliche Verbiegung) und verschmutzen sehr leicht durch im Wasser schwimmende Pflanzen und Tiere.

Mechanisch stabiler ist eine in [5] beschriebene 2-Elektroden- Meßspitze, bei der ein Edelstahlrohr eine Elektrode und ein in dem Rohr vergossener Kohlenstoffstab die zweite Elektrode bildet. Nachteilig ist bei dieser Lösung die begrenzte räumliche Auflösung, die durch die nicht beliebig verkleinerbare Oberfläche des Rohres bedingt ist.

Hohe räumliche Auflösungen werden auch mit Meßspitzen erreicht, bei denen die Feldlinien eines Mehrelektrodensystems in einem kleinen Loch gebündelt werden, durch das das Wasser gesaugt wird [6]. Derartige Meßspitzen erfordern einen hohen Aufwand bei ihrer Fertigung, sind mechanisch anfällig und können leicht durch im Wasser schwimmende Pflanzen und Tiere verstopft werden (Zusetzen des Loches).

Sehr hohe räumliche Auflösungen weisen Miniatur- Elektrodensysteme auf, die auf ein dünnes Substrat aufgedampft sind [7], [8]. Nachteilig bei diesen Meßspitzen ist ihre besonders hohe Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Beanspruchungen. Sowohl die dünnen Trägersubstrate als auch die aufgedampften Elektrodenfilme können beim Auftreffen auf im Wasser schwimmende Pflanzen und Tiere leicht beschädigt werden.

Dieser Charakterisierung liegt folgende Literatur zugrunde:

[1] GIBSON, C. H. und SCHWARZ, W. H.: Detection of conductivity fluctuations in a turbulent flow field. - Journnal of Fluid Mechanics, Vol. 16 (1963), 357-364.
[2] PRANDKE, H.: Vorrichtung zur kohärenten Messung kleinskaliger Schichtungsstrukturen der Temperatur und der elektrischen Leitfähigkeit im Meer. - Patentschrift DD 2 91 838 A5, 11.7.1991.
[3] PRANDKE, H., ROEDER, W. und KRÜGER, S.: Aufbau und Funktion einer frei fallenden Sonde zur Untersuchung der Mikrostruktur der thermohaltigen Schichtung im Meer. - Acta Hydrophysica, 29 (1985) H2/3, 165-210.
[4]) SEA - BIRD ELECTRONICS, INC.: Microstructure Conductivity Sensor SBE 7. - SEA - BIRD ELECTRONICS, INC., Bellevue, WA 98005 USA.
[5] WOODS, J. D.: On designing a probe to measure oceanic microstructure. - Underwater Science and Technology Journal, Vol. 1 No. 1 (1969), 6-12.
[6] GREGG, M. C. und COX, C. S.: Measurements of the oceanic microstructure of temperature and electric conductivity. - Deep- Sea Research, Vol. 18 (1971), 925-934.
[7] WASHBURN, L. und GIBSON, C. H.: Measurements of oceanic temperature microstrukture using a small conductivity sensor. - Journal of Geophysical Research, Vol. 87, No. C6 (1982), 4230- 4240.
[8] WASHBURN, L. und DEATON, T. K.: A simple system for mappping conductivity microstructure. - Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, Vol. 3 No. 3 (1986), 345-355.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung der kleinskaligen Struktur der elektrischen Leitfähigkeit in marinen und limnischen Gewässern in Form einer Meßspitze, vorzugsweise als Bestandteil frei sinkender oder kabelgebunden vertikal profilierender oder in der Strömung ortsfest installierter Meßsonden zu schaffen, die die Messung bis in den Bereich Millimeter bei hoher Empfindlichkeit und Störsicherheit gestattet. Durch einen robusten Aufbau soll die Meßspitze für Feldmessungen auch unter rauhen Bedingungen geeignet sein. Insbesondere muß die Meßspitze gegenüber mechanischen Belastungen unempfindlich sein, die beim Auftreffen der Sonde auf ein Hindernis (z. B. Pflanzen und Tiere im Wasser, Grund des Gewässers) oder generell bei der Handhabung von außenbords eingesetzten Meßgeräten auf Schiffen und Booten auftreten können. Weiterhin soll durch eine geeignete Formgebung der Meßspitze eine Verunreinigung derselben durch im Wasser schwimmende Pflanzen und Tiere weitgehend vermieden werden. Die Fertigung des Sensors soll mit einfachen Mitteln kostengünstig möglich sein.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Meßspitze aus einem in einem Schutzrohr eingebrachten Elektrodensystem gebildet wird, wobei die freien Stirnflächen der im Schutzrohr in Isoliermaterial eingebetteten elektrisch leitenden drahtförmigen Elektroden ein zur Leitfähigkeitsmessung geeignetes Elektrodensystem bilden. Zur Sicherung einer hinreichenden Meßgenauigkeit wird vorzugsweise ein 4-Elektroden-System verwendet. Die Stirnflächen von Schutzrohr, Elektroden und Isoliermaterial bilden eine ebene und glatte Fläche. Diese von der Flüssigkeit angeströmte Stirnfläche bildet mit der in Strömungsrichtung weisenden Längsachse der Meßspitze einen spitzen Winkel von vorzugsweise 40 bis 50 Grad oder ist keilförmig ausgebildet, wobei die beiden Flanken einen Winkel von vorzugsweise 60 bis 90 Grad einschließen und die Stirnflächen der Elektroden vorzugsweise in einer Reihe mittig in der Schneide angeordnet sind. Durch die ebene und glatte Oberfläche und die Schrägstellung der Stirnfläche der Meßspitze zur Strömungsrichtung wird ein schneller Wasseraustausch im Bereich der Elektrodenflächen gewährleistet und eine Ablagerung von Verschmutzungen in diesem Bereich weitgehend vermieden.

Anwendung der Erfindung

Die Erfindung ist anwendbar zur Messung der kleinskaligen Struktur der elektrischen Leitfähigkeit in marinen und limnischen Gewässern, vorzugsweise als Bestandteil frei sinkender oder kabelgebunden vertikal profilierender oder in der Strömung ortsfest installierter Meßsonden. Anwendungsgebiete sind die Erforschung der Mikrostruktur der Dichteschichtung und kleinskaliger dynamischer Prozesse sowie Messungen zur Überwachung ökologisch relevanter kleinskaliger Schichtungs- und Vermischungsvorgänge in Gewässern. Bedingt durch ihren robusten, störsicheren Aufbau ergeben sich gegenüber den bekannten räumlich hochauflösenden Meßspitzen zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit breitere Einsatzmöglichkeiten, insbesondere für routinemäßige Feldarbeiten. Die Meßspitze ist darüber hinaus einsetzbar zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit in technischen Systemen wie Rohrleitungen, Kanälen, Tanks und anderen Behältern. Die Herstellung der Meßspitze ist mit einfachen Mitteln kostengünstig möglich.

Ausführungsbeispiel

Eine konstruktive Ausführung der Meßspitze als Bestandteil einer vertikal profilierenden frei sinkenden Sonde für marine und limnische Gewässer stellt die Zeichnung dar. Die Meßspitze befindet sich an dem in Sondierungsrichtung weisenden Ende der Sonde und wird von einem Sensorschaft gehaltert. Die Meßspitze besteht aus dem metallischen Schutzrohr (1), in dem 4 drahtförmige Elektroden (2) in einem Isoliermaterial (3) eingebettet sind. Die freien Stirnflächen der Elektroden bilden das 4 - Elektroden - System zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit. Die Stirnflächen von Schutzrohr, Elektroden und Isoliermaterial bilden eine ebene und glatte Fläche. Diese von der Flüssigkeit angeströmte Stirnfläche bildet mit der in Strömungsrichtung weisenden Längsachse der Meßspitze einen spitzen Winkel von etwa 45 Grad. Durch die ebene und glatte Oberfläche und die Schrägstellung der Stirnfläche der Meßspitze zur Strömungsrichtung wird ein schneller Wasseraustausch im Bereich der Elektrodenflächen gewährleistet und eine Ablagerung von Verschmutzungen in diesem Bereich weitgehend vermieden.

Claims

1. Meßspitze zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit in strömenden Flüssigkeiten dadurch gekennzeichnet, daß die freien Stirnflächen von in einem Schutzrohr in Isoliermaterial eingebetteten elektrisch leitenden drahtförmigen Elektroden ein zur Leitfähigkeitsmessung geeignetes Elektrodensystem bilden, wobei die Stirnflächen von Schutzrohr, Elektroden und Isoliermaterial eine ebene und glatte Fläche bilden.

2. Meßspitze gemäß Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Flüssigkeit angeströmte Stirnfläche mit der in Strömungsrichtung weisenden Längsachse der Meßspitze einen spitzen Winkel von vorzugsweise 40 bis 50 Grad bildet.

3. Meßspitze gemäß Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Flüssigkeit angeströmte Stirnfläche der Meßspitze keilförmig ausgebildet ist, wobei die beiden Flanken einen Winkel von vorzugsweise 60 bis 90 Grad einschließen und die Stirnflächen der Elektroden vorzugsweise in einer Reihe mittig in der Schneide angeordnet sind.