Forum: Offtopic Leitfähigkeit von Wasser bei hohen Spannungen


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von Philipp K. (plopp)


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Hallo zusammen,

ich mache gerade Surge-Impuls Messungen (~4 kV Spitze, Phase gegen Erde) 
an einer mit Wasser gekühlten Komponente. Jetzt bin ich auf der Suche 
nach weiteren Rückpfaden für den Impulsstrom und möchte gerne den 
Kühlkreislauf ausschließen. Das Kühlaggregat selbst ist stationär und 
geerdet, weshalb zumindest die Möglichkeit besteht, dass hier ein Pfad 
existiert.

Mit einem Multimeter gemessen, habe ich etwa 1 MOhm (kein reines Wasser) 
zwischen Komponente und Erde über den Kühlschlauch. Da mich hier meine 
Physikkenntnisse verlassen, hat Wasser eine spannungsabhängige 
Leitfähigkeit?  Könnte also bei hohen Spannungen ~4 kV, der Widerstand 
schlagartig kleiner sein? Zur Temperatur finde ich bei Google eine 
Menge, Spannung aber nichts.

Danke.

von Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)


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Philipp K. schrieb:
> Könnte also bei hohen Spannungen ~4 kV, der Widerstand
> schlagartig kleiner sein?

Ja. Bei Spannungen unter 3 Volt liegt der Widerstand etwa bei 100k bis 
1M, bei Spannungen ab 230 Volt liegt der Widerstand nur noch bei etwa 
1000 Ohm. Dieser Effekt hat auch eine Bezeichnung, die ich aber nicht 
weiß. Ein Chemiker könnte dieses Verhalten von Wasser sicher begründen.

von H. O. (oster)


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Wasser ist ein Dipol und der Effekt wird wohl mit der Feldstärke im 
Elektrolyt, ist ja kein reines Wasser, zu tun haben. Evtl. mal mit dem 
Begriff "Orientierungspolarisation" suchen.

von Falk B. (falk)


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@ Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)

>Ja. Bei Spannungen unter 3 Volt liegt der Widerstand etwa bei 100k bis
>1M, bei Spannungen ab 230 Volt liegt der Widerstand nur noch bei etwa
>1000 Ohm. Dieser Effekt hat auch eine Bezeichnung, die ich aber nicht
>weiß. Ein Chemiker könnte dieses Verhalten von Wasser sicher begründen.

Wenn es denn wirklich so ist, ist es wohl die elektrochemische 
Spannungsreihe. Denn die Salze im Wasser machen die Leitfähigkeit.

von L. H. (holzkopf)


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Philipp K. schrieb:
> Da mich hier meine
> Physikkenntnisse verlassen, hat Wasser eine spannungsabhängige
> Leitfähigkeit?

Denke am besten orientierst Du Dich an der Leitfähigkeit 
unterschiedlicher Wasserarten, die für Deine Zwecke in Frage kommen:
https://www.hausjournal.net/leitwert-wasser

Destilliertes/demineralisiertes Wasser gilt als Isolator.
Was aber nicht ganz stimmt, weil Autoprotolyse stattfindet:
https://www.chemieseite.de/anorganisch/node28.php

Wenn Du mit den geringsten Leitwerten nicht klarkommen solltest, 
könntest Du alternativ evtl. auch Öl als Kühlmittel einsetzen?
Kühlt zwar schlechter, ist aber el. nicht leitend.
Das läßt sich aber meist durch erhöhte Durchsatzmenge kompensieren.

Grüße

von Percy N. (vox_bovi)


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Im Rubber gibt's allerlei Tabellen zur Konduktivität von Wasser, 
abhängig zB von der Salinität. Spannung kommt dort auf über 2400 Seiten 
kaum vor. Temperatur und Druck scheinen deutlich interessanter zu sein.

von Michael K. (Gast)


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Percy N. schrieb:
> Temperatur und Druck scheinen deutlich interessanter zu sein.

Über Leitfähigkeit, Druck und Temperatur errechnet man den Salzgehalt.
http://salinometry.com/pss-78/

von L. H. (holzkopf)


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Der Salzgehalt ist an sich relativ uninteressant, weil nur die 
Leitfähigkeit des eingesetzten Wassers maßgeblich ist. ;)

Der TE sprach zwar von "keinem reinem Wasser", aber welches er genau 
verwendete, ist bisher unbekannt.
Brunnen-, Leitungs- und Meerwasser usw. (unreine Wasser) unterscheiden 
sich bzgl. Leitfähigkeit.

Die Richtigkeit sämtlicher vorgebrachter Messungen mit MM - egal ob 
analog od. digital - wage ich zu bezweifeln, weil bei den Ohm-Messungen 
der Batterie-Strom durch das Medium (Wasser) läuft. :)

Was zwangsläufig dazu führt, daß elektrolytische Wasserspaltung 
stattfindet.

Verifizieren läßt sich das ganz einfach:
Indem man die Mess-Spitzen eines MM, oder besser, zwei damit verbundene 
Nadeln oder sonstwelche Elektroden einfach in ein wassergefülltes Glas 
eintaucht.

Todsicher wird man dabei anfangs ca. 0 Ohm messen können, und 
anschließend laufen die Ohm dann hoch.

Die Erklärung dafür ist, daß sich an den Elektroden zunehmend 
Gasbläschen (Wasserstoff an der Kathode und Sauerstoff an der Anode) 
bilden.
Wodurch der Widerstand hochläuft, weil weiter an die Elektroden 
"nachdrängende" Ionen erst mal diesen "Gasblasen-Teppich" durchdringen 
können müssen, um die Elektroden tangieren zu können.

Was aber mit der Leitfähigkeit des Wassers überhaupt nichts zu tun hat.
Die bleibt nämlich annähernd konstant, wenn man mal von T-Erhöhung und 
Druck-Veränderungen absieht.

Klar:
T-Erhöhung führt generell zu höherer "Mobilität" der Ionen und 
Unterdruck beschleunigt die Gasbläschen-Ablösung von den Elektroden.

Philipp K. schrieb:
> ich mache gerade Surge-Impuls Messungen (~4 kV Spitze, Phase gegen Erde)
> an einer mit Wasser gekühlten Komponente.

Die Tilde vor den 4kV interpretiere ich in Verbindung damit, daß Du von 
Phase gegen Erde sprichst, so, daß Du an sich von einer Wechselspannung 
sprichst.
Wenn dem so ist, welche f hat die?

Liefert die 4kV ein Trafo (sekundär) oder ein "voll" (mit x-beliebigem 
Strom) belastbares Netz?
Oder wovon sprichst Du hier eigentlich?

Philipp K. schrieb:
> ...Da mich hier meine
> Physikkenntnisse verlassen, hat Wasser eine spannungsabhängige
> Leitfähigkeit?

Nein, weil die Leitfähigkeit - abgesehen von den gen. P- und 
T-Einflüssen - nahezu (je nach Wasser) konstant ist.

> Könnte also bei hohen Spannungen ~4 kV, der Widerstand
> schlagartig kleiner sein?

Nein, weil sich der Widerstand (unter der Bedingung gleichen 
Stromflusses) eher erhöhen wird. Wg. Blasenbildung an den Elektroden.

Hast Du einen Trafo, der sek. die 4kV liefert, KANN der nur einen max. 
Strom liefern.
Hast Du ein "belastbares" Netz, kann Dir das sowohl eine höhere U als 
auch einen höheren Strom liefern.

Aus meiner Sicht ist es jedoch völlig unsinnig, diese beiden Varianten 
miteinander vergleichen zu wollen. :)

Du hast ein Wasser mit einer ganz bestimmten Leitfähigkeit.
Und für die 4kV gibt es Randbedingungen, unter denen die (nur) aufrecht 
erhaltbar sind.

Grüße

von Philipp K. (plopp)


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Hallo zusammen,

vielen Dank für die Antworten. Ich hätte mir ja so gerne einfaches Ja 
oder Nein auf meine Frage gewünscht :-)


@holzkopf: Nein, es handelt sich nicht um eine Wechselspannung, sondern 
um einen 1,2/50 surge Impuls nach IEC 61000-4-5. Die Leerlaufspannung 
ist auf 6 kV eingestellt, durch die Belastung des DUT bleiben noch etwa 
4 kV Spitze übrig. Doofe Idee von mir das "etwa" mit "~" darzustellen 
;-)

Die Kühlflüssigkeit während des Tests ist Wasser, aber mit all den 
abgestandenen Resten, die sich im Kreislauf über Jahre gesammelt haben.

Gilt denn der Elektrolyse Gedanke auch für den Impuls-Fall, mit der 
Einschränkung, dass die beiden Elektroden ja etwa 2 m über den Schlauch 
voneinander getrennt sind? Fließt denn da selbst beim Impuls, ein 
nennenswerter Strom? Elektrisch müsste der sich doch wie ein kapazitiver 
Strom darstellen. Für den schnellen Anstieg des Pulses (1,2us von 
10-90%) nehme ich für meine Rechnungen eine äquivalente Frequenz von 400 
kHz an.


Ich habe den Versuch noch einmal mit abgetrenntem Kühlkreislauf gemacht. 
Die Ergebnisse der Messungen, haben mir keinen offensichtlichen Einfluss 
gezeigt. Ich gehe deshalb davon aus, dass ich für meinen Test, diesen 
Pfad ignorieren kann.
Aufgrund der hohen Amplituden und der schnellen Vorgänge bin ich etwas 
vorsichtig, einfach mal ein Messgerät an die Leitungen anzuschließen. 
Und die Hochspannungstastköpfe, die mir zur Verfügung stehen, lassen 
keine Aussage zu solchen kleinen Werten zu. Außerdem kämpfe ich beim 
Messen grundsätzlich mit kapazitiven Ausgleichströmen, wodurch ich bei 
vielen Messungen nicht zwischen Signal und Störung unterscheiden kann.

von L. H. (holzkopf)


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Philipp K. schrieb:
> Gilt denn der Elektrolyse Gedanke auch für den Impuls-Fall, mit der
> Einschränkung, dass die beiden Elektroden ja etwa 2 m über den Schlauch
> voneinander getrennt sind? Fließt denn da selbst beim Impuls, ein
> nennenswerter Strom?

Denke, prinzipiell gilt der Elektrolyse-Gedanke in weit mehr Fällen als 
das gemeinhin angenommen/wahrgenommen wird.
Ob dabei nun permanent DC fließt oder "nur" per Impulsen, schließt 
mögliche Wasserspaltung nicht unbedingt aus.
Es gibt sogar bei Elektrolyseuren, die auf Wasserspaltung "ausgelegt" 
sind, wie z.B. solchen von Meyer oder Ravi, genau diesen Ansatz, das mit 
HV-Impulsen zu tun.

Angeblich soll damit die Wasserspaltung effizienter machbar sein.
Mir und anderen daran Interessierten war es allerdings bisher noch nicht 
möglich, das auch so verifizieren zu können. ;)

Du hast natürlich recht damit, daß der Elektroden-Abstand von etwa 2m 
dabei kontraproduktiv ist.

> Elektrisch müsste der sich doch wie ein kapazitiver
> Strom darstellen. Für den schnellen Anstieg des Pulses (1,2us von
> 10-90%) nehme ich für meine Rechnungen eine äquivalente Frequenz von 400
> kHz an.

Ob man dabei überhaupt von kapazitivem Strom sprechen kann, hängt von 
der Beschaffenheit der Elektroden ab.
Es ist zwar möglich, die Elektroden so zu "konditionieren", daß in 
Elektrolyse-Zellen der fließende Strom tendenziell eher auf eine 
Kapazität trifft.

Ravi machte das in einem langwierigen Prozess, der auch genau 
beschrieben wird, und Meyer bezeichnete seine Einzelzellen generell mit 
C.
Andererseits ist das aber bis zu einem gewissen Grad m.E. widersinnig, 
weil ja ein Strom durch die Elektroden fließen können muß, damit die 
Ionen überhaupt durch den Elektrolyt getrieben werden können.
Mit einem Verschiebungsstrom alleine (wie bei einem "reinen" C) kann es 
folglich gar nicht getan sein.
>
> Ich habe den Versuch noch einmal mit abgetrenntem Kühlkreislauf gemacht.
> Die Ergebnisse der Messungen, haben mir keinen offensichtlichen Einfluss
> gezeigt. Ich gehe deshalb davon aus, dass ich für meinen Test, diesen
> Pfad ignorieren kann.
> Aufgrund der hohen Amplituden und der schnellen Vorgänge bin ich etwas
> vorsichtig, einfach mal ein Messgerät an die Leitungen anzuschließen.
> Und die Hochspannungstastköpfe, die mir zur Verfügung stehen, lassen
> keine Aussage zu solchen kleinen Werten zu. Außerdem kämpfe ich beim
> Messen grundsätzlich mit kapazitiven Ausgleichströmen, wodurch ich bei
> vielen Messungen nicht zwischen Signal und Störung unterscheiden kann.

Um evtl. Elektrolyse wirklich ausschließen zu können, brauchst Du dabei 
nicht zimperlich zu sein.
Abgesehen davon, daß man bei HV-Einsatz die üblichen Vorkehrungen bzgl. 
Sicherheit im Umgang damit beachtet.

Prinzipiell kannst Du auch mit HV an einen Elektrolyt (höchster 
Leitfähigkeit) bei weit geringerem Elektroden-Abstand als 2m 
"hinbrummen", ohne daß dabei Großartiges passieren kann.

Die Elektroden selbst spielen dabei an sich in Deinem Fall auch keine 
großartige Rolle, weil es ja nicht um max. Standzeiten von ihnen geht. 
:)

Du kannst also im "Ausschluß-Verfahren" ohne weiteres hergehen und z.B. 
blanke Eisen-Blechstreifen als "Elektroden-Ersatz" verwenden.
Blechstreifen reichen für einen Test deshalb aus, weil Du ja 
Anschluß-Rohre für die Schlauchverbindungen hast.
=> relative Flächenvergrößerung beteiligter Elektroden, was wiederum 
geringeren möglichen Stromfluß (in der Realität) ergibt.

Und als Elektrolyt Leitungswasser für den Test verwenden, weil das eine 
höhere Leitfähigkeit hat als dest./demineralisiertes Wasser.

Dabei kannst Du auch völlig problemlos den dabei fließenden Strom 
messen.
Der größenordnungsmäßig ein Indiz dafür sein kann, ob und inwieweit sich 
da überhaupt etwas mit Wasserspaltung tun kann.

Hauptsächlich flankierend dazu kannst Du beobachten, ob sich im 
laufenden Verfahren Gasbläschen bilden.
Wenn das nicht oder nur geringfügig erfolgt, kannst Du Dir einigermaßen 
sicher darin sein, daß das evtl. Wasserspaltungs-Problem durch 
Auswechselung Leitungs-/dest. bzw. demineralisiertem Wasser erledigt 
sein dürfte.

Noch etwas zu Deinem Kühler:
Spül den am besten vor der endgültigen "Frisch-Befüllung" mal mit 
Soda-Wasser aus.
Findest Du unter Autokühler "aufmotzen", wie das anzumischen ist.
Habe ich zwar irgendwo auch aufgeschrieben - aber bis ich das in meinem 
Chaos finde:
Such lieber selbst danach. :)

Grüße

von Michael K. (Gast)


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L. H. schrieb:
> Der Salzgehalt ist an sich relativ uninteressant, weil nur die
> Leitfähigkeit des eingesetzten Wassers maßgeblich ist. ;)

Diente auch nur der Erklärung warum Leitfähigkeit, Druck und Temperatur 
oft zusammen behandelt werden.

Deine Erklärungen zur Leitfähigkeitsmessung und den Problemen der 
Gasbildung sind richtig.
Wir bauen hier Leitfähigkeitsmesszellen für die Meerestechnik und da 
gehört schon ein wenig mehr dazu verlässliche Messungen zu bekommen.

von L. H. (holzkopf)


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Michael K. schrieb:
> Wir bauen hier Leitfähigkeitsmesszellen für die Meerestechnik und da
> gehört schon ein wenig mehr dazu verlässliche Messungen zu bekommen.

Daß natürlich P und T dabei immer auch eine Rolle spielen, ist schon 
klar.
Denn, selbst wenn das nicht ausdrücklich erwähnt ist/wird, können sich 
Leitfähigkeitsmessungen nur auf bestimmte Umgebungs-Parameter beziehen.

Ich kann mir auch lebhaft vorstellen, wie schwierig es ist, zu 
verlässlichen Messungen kommen zu können, weil das alles andere als 
einfach ist. :)

Dies schon alleine deshalb, weil man dabei auch z.B. angeben muß, 
welcher Strom durch die Messzelle fließt.
Denke auch, daß es deshalb wenig sinnvoll ist, Messungen beim "Start" 
der Messzelle als repräsentativ für die Leitfähigkeit des Elektrolytes 
einzuordnen.
Viel mehr kann das m.E. sinnvoll nur dann geschehen, wenn man entweder 
permanent oder per Impulsen die Messzelle mit Gleichstrom beaufschlagt.

Der Strom treibt dabei dann die Ionen durch den Elektrolyt.
Was zwangsläufig zu Reibung und damit zu T-Veränderung des Elektrolytes 
führt.

Interesseshalber meine Fragen zu den Messzellen:

a) nehme an, daß P konstant ist (Atmosphärendruck)

b) wie sieht es damit aus, T konstant halten zu können?
Werden die Messzellen zwangsgekühlt?

c)(was mich am meisten interessiert) welche Elektroden werden verwendet?
Die bei (dominant)Na-Ionen üblichen Eisen-Elektroden?
Also niedrig legierter (C <1) Baustahl?

Grüße

von Michael K. (Gast)


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L. H. schrieb:
> a) nehme an, daß P konstant ist (Atmosphärendruck)
Von Atmosphärendruck bis zu 1000bar.
Meerestechniksonden von Flachwasser bis Mariannengraben ;-)

> b) wie sieht es damit aus, T konstant halten zu können?
> Werden die Messzellen zwangsgekühlt?
Wassertemperaturen von -4°C bis +35°C

> c)(was mich am meisten interessiert) welche Elektroden werden verwendet?
> Die bei (dominant)Na-Ionen üblichen Eisen-Elektroden?
> Also niedrig legierter (C <1) Baustahl?
7polige Messung mit platinierten Platinelektroden

Wir betreiben ein eigenes Kalibrierlabor.
Druck, Temperatur und Leitfähigkeit wird über den Temperaturverlauf 
kalibriert, Salzgehalt und Dichte errechnet.

Diese in situ CTD Sonden sind sozusagen das Basismodell.
Je nach Kundenanforderung messen wir auch Sauerstoff, Methan, CO2, 
verschiedene Kohlenwasserstoffe, Mikrowirbel, Algen etc. pp.
Bei den Forschungsprojekten wird es dann richtig abgefahren ...

von L. H. (holzkopf)


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Michael K. schrieb:
> Bei den Forschungsprojekten wird es dann richtig abgefahren ...

Danke für Deine Antwort zu den Fragen. :)
Hast schon teils heftige Umgebungs-Bedingungen bei Deinen Messungen.

Grüße

von Henrik V. (henrik_v)


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Versuchen die Leckströme zu messen?
Bei den Frequenzen Ferritkern über die Kühlleitung (Schlauch mehrfach 
durchwickeln?)  und mit einer (geschirmten, aber keinen Wicklungsschluß 
bauen;)) Wicklung schauen ob Strom durch den Schlauch entfleucht.
Ggf. liegt ja noch ein schneller TIA rum. Ich würde mit 50 Ohm 
abschließen und den 7A22 (10µV/Div) ins Tek schieben.
Die Induktivität bremst ggf auch noch Nebenströme ... (Schoke halt)

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