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Die Erfindung betrifft einen induktiven Leitfähigkeitssensor zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit eines Mediums, welches den Leitfähigkeitssensor umgibt.
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Derartige Leitfähigkeitssensoren umfassen im Wesentlichen eine Sendespule und eine Empfangsspule, die in der Regel als Ringspulen ausgestaltet sind und eine durchgehende mit dem Medium beaufschlagbare Öffnung umschließen, so dass sich bei Erregung der Sendespule ein innerhalb des Mediums verlaufender geschlossener Kurzschlusspfad ausbilden kann, der die Sende- und Empfangsspule durchsetzt. Ein induktiver Leitfähigkeitssensor kann als eine Verknüpfung zweier Transformatoren beschrieben werden, wobei der geschlossene Leitungspfad gewissermaßen als Spule mit einer Windung beiden Transformatoren angehört. Durch Auswertung des Signals der Empfangsspule in Antwort auf das Signal der Sendespule kann daher die Leitfähigkeit des Mediums ermittelt werden.
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Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus
DE 10 2007 039 015 A1 , bekannte induktive Leitfähigkeitssensoren werden üblicherweise mit Hilfe von leitfähigen Trägern bzw. Gehäusen und Schirmungen aus hochpermeablem Material gegen kapazitive und induktive Kopplung geschirmt.
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Aus
DE 10 2006 025 194 A1 ist ein Leitfähigkeitssensor bekannt, dessen Ringspulen aus einer Vielzahl erster Leiterabschnitte, die in einer Ebene einer mehrlagigen Leiterkarte verlaufen, einer Vielzahl zweiter Leiterabschnitte, die in einer zweiten Ebene der Leiterkarte verlaufen, und einer Vielzahl von Durchkontaktierungen, die die ersten Leiterabschnitte mit den zweiten Leiterabschnitten zu Spulenwindungen verbinden, gebildet werden. In einer Ausführungsform sind die Spulen koaxial und axial hintereinander innerhalb der Leiterkarte angeordnet. Zwischen den beiden Spulen verläuft eine zusätzliche Trennlage innerhalb der Leiterkarte, die als Schirmungslage zur Entkopplung der Spulen dienen kann.
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Eine derartige Trennlage ermöglicht jedoch nur eine Schirmung parallel zu den Grundflächen der Ringspulen, jedoch nicht entlang ihres Umfangs. Entsprechend können nebeneinander angeordnete Ringspulen mit parallel ausgerichteten zentralen Achsen oder koaxial koplanar angeordnete Ringspulen auf diese Weise nicht ausreichend gegeneinander geschirmt werden. Eine Kapselung der einzelnen in eine Leiterkarte integrierten Ringspulen jeweils in einem eigenen Gehäuse, das die beiden Spulen gegeneinander abschirmt, bringt eine Reihe von Nachteilen mit sich. Insbesondere wird auf diese Weise eine Reihe von Vorteilen der Integration des Leitfähigkeitssensors in eine Leiterkarte wieder aufgegeben, wie beispielsweise die vereinfachte automatisierte Fertigung oder die Kompaktheit des Sensoraufbaus.
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DE 69022397 T2 beschreibt eine Sonde zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit eines Fluids. Die Sonde umfasst: Ein magnetisch durchlässiges Gehäuse, das eine Fluiddurchtrittsbohrung definiert; und eine erste und eine zweite koaxiale Ringspule, die in dem Gehäuse eingeschlossen sind und eine gemeinsame Mittelachse haben, die innerhalb der Bohrung liegt. Die erste Ringspule ist mit einer Treiberschaltung zum Erzeugen eines Magnetflusses gekoppelt. Die zweite Ringspule ist mit einer Messschaltung zum Erfassen des elektromagnetischen Flusses an der zweiten Ringspule gekoppelt. Eine dritte Ringspule ist koaxial mit der ersten und der zweiten Ringspule gekoppelt, die ebenfalls in dem Gehäuse eingeschlossen ist. Es ist eine Schalteinrichtung vorgesehen, um die dritte Ringspule mit der ersten Ringspule oder der zweiten Ringspule selektiv parallel zu verbinden oder sie davon zu trennen, wobei die drei Ringspulen einen Stapel bilden. Die drei Ringspulen sind durch geerdete Abschirmungen voneinander getrennt, die die unerwünschte direkte Signalübertragung zwischen den Ringspulen herabsetzen.
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DE 69529020 T2 beschreibt eine elektromagnetische induktive Sonde mit einem ringförmigen Primärtransformatorelement und einem ringförmigen Sekundärtransformatorelement. Jedes Transformatorelement umfasst einen Kern und eine Wicklung. Beide Transformatorelemente sind so angeordnet, dass Mittelachsen der Kerne des ringförmigen Primärtransformatorelements und des ringförmigen Sekundärtransformatorelements zusammen fallen. Eine elektrostatische Schirmungseinrichtung umgibt die Primär- und Sekundärtransformatorelemente und weist Lücken auf. Eines der ringförmigen Transformatorelemente umgibt das andere ringförmige Transformatorelement, so dass die Primär- und Sekundärtransformatorelemente symmetrisch in Bezug auf eine Ebene angeordnet sind. Die Ebene geht senkrecht zu den Mittelachsen und durch die jeweiligen Mittelpunkte der Kerne der ringförmigen Primär- und Sekundärtransformatorelemente geht, wobei die Mittelpunkte übereinstimmen.
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DE 2822943 A1 beschreibt ein Verfahren zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit von Flüssigkeiten durch Induktion einer Spannung in der Flüssigkeit. Das Verfahren wird mittels einer Primärspule und durch Messung der von der Leitfähigkeit der Flüssigkeit abhängigen Sekundärspannung und mittels einer Sekundärspule durchgeführt. Die Sekundärspule bildet mit einem Kondensator einen Schwingkreis, dessen Resonanzfrequenz auf die Frequenz der an die Primärspule angelegten Messspannung abgestimmt wird. Um mittelbare Auswirkungen der Primärspule auf die Sekundärspule auszuschließen, befindet sich zwischen diesen beiden Spulen eine Abschirmung.
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US2007008060 A1 beschreibt einen Fluid-Leitfähigkeitssensor, der in einer Leiterplatte eingebettet ist, wobei der Sensor umfasst: eine erste Ringspule, die in einer in einer Leiterplatte eingebettet ist. Die erste Ringspule ist in der Nähe der zweiten Ringspule positioniert, um einen toroidalen Induktor mit einem Kern aus dielektrischem Material zu schaffen. Eine Funkfrequenz-Phasendetektorschaltung ist mit der toroidförmigen Induktor gekoppelt, um die Leitfähigkeit des Fluids zu erfassen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, insbesondere eine effektive Schirmung für einen in eine Leiterkarte integrierten Leitfähigkeitssensor zur Verfügung zu stellen, die insbesondere für koplanare Spulenanordnungen geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Leitfähigkeitssensor zum Messen der Leitfähigkeit eines Mediums, welches den Leitfähigkeitssensor umgibt, umfassend:
eine erste Ringspule, welche eine erste mit dem Medium beaufschlagbare durchgehende Öffnung umschließt, zum Induzieren eines Stroms in einem Medium,
eine zweite Ringspule, welche eine zweite mit dem Medium beaufschlagbare durchgehende Öffnung umschließt, zum Erfassen eines durch den induzierten Strom erzeugten Magnetfelds,
wobei mindestens eine der Ringspulen, insbesondere jede Ringspule, eine Vielzahl erster Leiterabschnitte aufweist, die in einer ersten Ebene einer mehrlagigen Leiterkarte verlaufen, und eine Vielzahl zweiter Leiterabschnitte, die in einer zweiten Ebene der Leiterkarte verlaufen, und eine Vielzahl von Durchkontaktierungen, welche die ersten Leiterabschnitte mit den zweiten Leiterabschnitten verbinden, wobei die ersten Leiterabschnitte, die zweiten Leiterabschnitte und die ersten Durchkontaktierungen zusammen die Windungen der Ringspule ausbilden,
und wobei die mindestens eine Ringspule, insbesondere jede Ringspule, von einer Vielzahl von innen metallisierten Bohrungen innerhalb der Leiterkarte umgeben ist, welche derart angeordnet sind, dass sie als elektrische Abschirmung der Ringspule wirken, und wobei die innen metallisierten Bohrungen parallel zu den Durchkontaktierungen verlaufen.
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Der Begriff „Ringspule” bezeichnet eine Spule mit einem innerhalb der Spulenwindungen verlaufenden in sich geschlossenen magnetischen Pfad. Wenn also ein Magnetkern vorgesehen ist, muss dieser in sich geschlossen oder zumindest nur durch Luftspalte überbrückt verlaufen. Gleiches gilt für einen mit Gas oder einem nicht magnetischen Material, z. B. dem Leiterkartenmaterial, gefüllten Hohlraum bei einer kernfreien Ringspule. Auf die Gestalt des ringförmigen Verlaufs kommt es dabei nicht an. Ein Kreisring ist die einfachste Form, gleichermaßen sind aber auch beliebige andere Formen denkbar, wie beispielsweise Ellipsen, Rechtecke oder andere Polygone. Eine derartige Ringspule weist eine zentrale Achse auf, die im Fall einer Kreisringspule eine Rotationssymmetrieachse ist. Falls die Ringspule keine Zylindersymmetrie aufweist, sondern beispielsweise als Ellipse oder als Polygon ausgestaltet ist, verläuft die zentrale Achse beispielsweise durch den Mittelpunkt des Polygons bzw. durch einen zentralen, zwischen den Ellipsenbrennpunkten lokalisierten Punkt innerhalb der Ellipse.
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Eine mehrlagige Leiterkarte umfasst mehrere schichtweise in einer Stapelrichtung hintereinander gestapelte Ebenen oder Lagen, in denen Leiterbahnen oder Leiterabschnitte oder sonstige Bauteile angeordnet sein können.
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Die von der ersten Ringspule umschlossene erste durchgehende Öffnung und die von der zweiten Ringspule umschlossene zweite durchgehende Öffnung können räumlich voneinander getrennt sein oder zusammenfallen. So sind die erste und zweite Öffnung bei koaxial axial hintereinander liegenden Spulen direkt aneinander anschließend hintereinander angeordnet. Bei einer koaxialen koplanaren Anordnung der Ringspulen fallen die erste und zweite Öffnung zu einer einzigen zentralen von beiden Spulen umschlossenen durchgehenden Öffnung zusammen.
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Die innen metallisierten Bohrungen können beispielsweise wie Durchkontaktierungen der Leiterkarte ausgestaltet sein, bei denen die Innenwände mit einer Metallschicht versehen sind. Zur Herstellung solcher Durchkontaktierungen, die auch als Vias bezeichnet werden, existieren etablierte Verfahren. Mit den innen metallisierten Bohrungen kann daher eine effektive, aber fertigungstechnisch einfach umzusetzende Schirmung für die Ringspulen zur Verfügung gestellt werden.
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In einer Ausgestaltung umfasst die Vielzahl von innen metallisierten Bohrungen eine erste Gruppe von innen metallisierten Bohrungen, im Folgenden als „Bohrungen erster Art” bezeichnet, die entlang eines von der mindestens einen Ringspule umgebenen, im Wesentlichen geschlossenen Rings um die durchgehende Öffnung der Ringspule angeordnet sind. Der Begriff „Ring” bezeichnet auch hier einen im Wesentlichen geschlossenen Pfad, auf dessen exakte Gestalt es nicht ankommt, und der z. B. kreisförmig, elliptisch, polygonal oder in unregelmäßiger Weise ausgestaltet sein kann. Dabei verlaufen diese Bohrungen idealerweise im Wesentlichen parallel zu den Durchkontaktierungen der Ringspulenwindungen, bzw. im Wesentlichen senkrecht zu den Lagen der Leiterkarte.
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Die Bohrungen erster Art sind somit zwischen einem inneren Umfang der Ringspule und der von der Ringspule umschlossenen mit Medium beaufschlagbaren durchgehenden Öffnung angeordnet. Der innere Umfang der Ringspule wird durch die die Ringspule nach innen abschließenden, parallel zu den Bohrungen verlaufenden, inneren Durchkontaktierungen der Ringspule gebildet. Beispielsweise entspricht im Fall einer rotationssymmetrischen Ringspule ihr innerer Umfang einer Zylindermantelfläche, die von den inneren Durchkontaktierungen der Ringspule umgeben ist. Die Bohrungen erster Art verlaufen in diesem Fall bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Rotationssymmetrieachse der Ringspule und sind um die Zylindermantelfläche rundherum angeordnet.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Vielzahl von innen metallisierten Bohrungen eine zweite Gruppe von innen metallisierten Bohrungen, im Folgenden als „Bohrungen zweiter Art” bezeichnet, die entlang eines im Wesentlichen geschlossenen Rings um die mindestens eine Ringspule herum angeordnet sind. Auch hier bezeichnet der Begriff „Ring” einen im Wesentlichen geschlossenen Pfad, der beispielsweise kreisförmig, elliptisch, polygonal oder in unregelmäßiger Weise ausgestaltet sein kann. Dabei verlaufen diese Bohrungen idealerweise im Wesentlichen parallel zu den Durchkontaktierungen der Ringspulenwindungen, bzw. im Wesentlichen senkrecht zu den Lagen der Leiterkarte.
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Die Bohrungen zweiter Art umgeben also einen äußeren Umfang der Ringspule, der durch die die Ringspule nach außen abschließenden, äußeren Durchkontaktierungen der Ringspulenwindungen gebildet wird. Bei einer rotationssymmetrischen Ringspule entspricht der äußere Umfang der Ringspule beispielsweise einer senkrecht zu den Leiterkartenebenen verlaufenden Zylindermantelfläche, die die Ringspule einhüllt. Die Bohrungen zweiter Art erstrecken sich in diesem Spezialfall parallel zur Zylindersymmetrieachse der Ringspule und sind um die die Ringspule einhüllende Zylindermantelfläche rundherum angeordnet.
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Der Begriff „innen” oder „nach innen” bezeichnet eine Richtung im Wesentlichen parallel zu den Leiterkartenlagen auf die zentrale Achse der Ringspule zu. Der Begriff „außen” oder „nach außen” bezeichnet entsprechend die entgegengesetzte Richtung.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist in mindestens einer zusätzlichen dritten Ebene der Leiterkarte eine Schirmungslage zur elektrischen Schirmung, im Folgenden auch als „elektrische Schirmungslage” bezeichnet, insbesondere aus einem elektrisch leitfähigen Metall, wie z. B. Kupfer, angeordnet, wobei mindestens eine der Ringspulen in Stapelrichtung der Leiterkarte vor oder hinter der elektrischen Schirmungslage angeordnet ist. In diesem Fall sind insbesondere die erste und die zweite Ebene, in denen die ersten und zweiten Leiterabschnitte der Ringspule angeordnet sind, in Stapelrichtung der Leiterkarte vor oder hinter der Schirmungslage angeordnet.
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In einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausgestaltung sind in der dritten Ebene der Leiterkarte eine erste elektrische Schirmungslage und in einer weiteren vierten Ebene der Leiterkarte eine zweite elektrische Schirmungslage angeordnet, wobei die mindestens eine Ringspule bezogen auf die Stapelrichtung der Leiterkarte zwischen der ersten und der zweiten Schirmungslage angeordnet ist, wobei insbesondere die erste und die zweite Ebene, in denen die ersten und zweiten Leiterabschnitte der Ringspule angeordnet sind, zwischen der ersten und der zweiten Schirmungslage angeordnet sind.
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Diese elektrischen Schirmungslagen dienen zur Abschirmung der Ringspulen an ihren Grundflächen. Zusammen mit den im Wesentlichen senkrecht zu den Schirmungslagen verlaufenden metallisierten Bohrungen können sie eine Art Kapselung für die Ringspulen bilden.
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Besonders geeignet zur Erzeugung einer umfassenden Abschirmung ist eine Ausgestaltung, bei der die Bohrungen erster Art jeweils mit nur einer der Schirmungslagen unmittelbar verbunden sind, und wobei die Bohrungen zweiter Art die erste und die zweite elektrische Schirmungslage miteinander verbinden. Auf diese Weise wird eine elektrische Schirmung der Ringspule in allen Raumrichtungen gewährleistet. Da die Bohrungen erster Art jedoch nur mit einer der Schirmungslagen unmittelbar verbunden sind, entsteht eine umlaufende Lücke in der Schirmung der Ringspule, durch die die Bildung von Wirbelströmen innerhalb der Schirmung vermieden wird.
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In einer hierzu alternativen Ausgestaltung verbinden die Bohrungen erster Art die erste und die zweite Schirmungslage miteinander, während die Bohrungen zweiter Art jeweils mit nur einer der elektrischen Schirmungslagen unmittelbar verbunden sind. Diese alternative Ausgestaltung hat noch den zusätzlichen Vorteil, dass die umlaufende Lücke in der Schirmung im Außenbereich der Ringspule angeordnet ist, so dass dort auftretende Streufelder einen möglichst großen Abstand voneinander aufweisen.
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In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn die Bohrungen zweiter Art eine erste Gruppe von Bohrungen, die mit der ersten elektrischen Schirmungslage unmittelbar verbunden sind, und eine zweite Gruppe von Bohrungen, die mit der zweiten elektrischen Schirmungslage leitfähig verbunden sind, umfassen, wobei die erste und die zweite elektrische Schirmungslage jeweils auf entgegengesetzten Seiten der mindestens einen Ringspule angeordnet sind. Dabei erstrecken sich die Bohrungen der ersten und der zweiten Gruppe in Stapelrichtung der Leiterkarte bevorzugt über dieselben Leiterkartenlagen wie die Durchkontaktierungen der Ringspule. Auf diese Weise ergibt sich ein Überlapp der durch die Bohrungen der ersten Gruppe gewährleisteten Schirmung mit der durch die Bohrungen der zweiten Gruppe gewährleisteten Schirmung. Diese Art der Schirmung ist in ihrer Wirksamkeit einer Schirmung mit zwischen der ersten und zweiten Schirmungslage durchgehenden Kontaktierungen nur geringfügig unterlegen.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist mindestens eine der Ringspulen einen Ringkern, insbesondere bestehend aus mindestens einer ringförmigen Folie oder einem massiven oder geschichteten Kernmaterial auf. Das Kernmaterial kann beispielsweise in Form eines massiven magnetischen Materials, einer gewickelten oder geschichteten magnetischen Folie oder einer massiven Isolationsmatrix, z. B. aus Kunststoff oder Keramik mit magnetischen Partikeln oder einer gewickelten oder geschichteten isolierenden Folienmatrix, z. B. aus Kunststoff oder einer Keramik, mit magnetischen Partikeln realisiert werden. Der Ringkern kann bei der Fertigung der Leiterkarte in eine Aussparung eingebracht werden, z. B. durch einlaminieren oder einlegen oder einkleben.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind die erste und die zweite Ringspule koplanar koaxial angeordnet, wobei die erste und die zweite Ringspule eine gemeinsame zentrale Achse, insbesondere eine Rotationssymmetrieachse aufweisen.
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In einer alternativen Ausgestaltung sind die erste und die zweite Ringspule koplanar achsparallel nebeneinander angeordnet, wobei die erste und die zweite Ringspule voneinander beabstandete zentrale Achsen, insbesondere Rotationssymmetrieachsen aufweisen.
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In einer alternativen Ausgestaltung sind die erste und die zweite Ringspule koaxial und axial hintereinander angeordnet und weisen eine gemeinsame zentrale Achse, insbesondere eine Rotationssymmetrieachse auf, wobei in der Leiterkarte zwischen den Ringspulen mindestens eine Schirmungslage zur magnetischen Schirmung angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung ist die Anordnung einer magnetischen Schirmungslage zwischen den Ringspulen zur Verringerung der induktiven Kopplung von Vorteil. Bei den in den beiden vorhergehenden Absätzen beschriebenen Ausgestaltungen, bei denen die Ringspulen koplanar angeordnet sind, ist die induktive Kopplung deutlich geringer, so dass auf eine solche zusätzliche magnetische Schirmungslage gegebenenfalls verzichtet werden kann.
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Vorteilhafterweise umfasst die mindestens eine Schirmungslage zur magnetischen Schirmung ein hochpermeables Material, das mindestens eine Permeabilitätszahl von mehr als 1000 aufweist.
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Die Erfindung wird nun anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung durch einen in einer Leiterkarte integrierten Leitfähigkeitssensor mit einer Schirmung gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
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2 eine Aufsicht auf einen Ausschnitt einer Leiterkartenebene des in 1 gezeigten Leitfähigkeitssensors.
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1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Spulenanordnung 1 in einem Leitfähigkeitssensor in einer mehrlagigen Leiterkarte 3. Die Spulenanordnung 1 umfasst zwei Ringspulen 2, welche eine durchgehende Öffnung 5 in der Leiterkarte 3 ringförmig umgeben. Die Spulenwindungen der Ringspulen 2 werden von ersten Leiterabschnitten 9, zweiten Leiterabschnitten 11, inneren Durchkontaktierungen 14 und äußeren Durchkontaktierungen 13 gebildet. Die inneren Durchkontaktierungen 14 dienen zur Herstellung elektrisch leitfähiger Verbindungen zwischen den näher an der zentralen Achse ZA der Ringspulen 2 liegenden inneren Enden der Leiterabschnitte 9 und 11, während die äußeren Durchkontaktierungen 13 leitfähige Verbindungen zwischen den weiter von der zentralen Achse ZA entfernten äußeren Enden der Leiterabschnitte 9 und 11 herstellen. Im Beispiel der 1 ist die zentrale Achse ZA eine Rotationssymmetrieachse der zylindersymmetrischen Ringspulen 2.
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Zwischen den unterschiedlichen Ebenen der Leiterkarte, in denen die Leiterabschnitte 9 und 11 verlaufen, ist eine Zwischenlage angeordnet, die selbst eine oder mehrere Lagen der Leiterkarte 3 umfassen kann. Die Zwischenlage umfasst eine Aussparung, in der jeweils ein Ringkern 7 für die Ringspulen 2 eingesetzt ist. Die Leiterabschnitte 9 und 11 und die Durchkontaktierungen 13 und 14 umschließen den Ringkern 7.
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Die beiden Ringspulen 2 der Spulenanordnung 1 sind im vorliegenden Beispiel koaxial und axial hintereinander bezogen auf eine gemeinsame Rotationssymmetrieachse ZA angeordnet, so dass die von jeder einzelnen Ringspule 2 umschlossenen durchgehenden Öffnungen direkt aneinander anschließen und eine einzige durchgehende Öffnung 5 entlang der Rotationssymmetrieachse ZA bilden. Zwischen den axial hintereinander angeordneten Ringspulen 2 verläuft eine Trennlage 21, die eine oder mehrere Teillagen umfassen kann, beispielsweise Schirmungslagen, insbesondere zur induktiven Entkopplung der Ringspulen.
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In Stapelrichtung der Leiterkarte 3 vor und hinter den Ringspulen 2 sind elektrische Schirmungslagen 15 aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie z. B. Kupfer, angeordnet, die von den Leiterabschnitten 9 und 11, sowie den Durchkontaktierungen 13 und 14 elektrisch isoliert sind. Jede der Ringspulen 2 ist also bezogen auf die Stapelrichtung der Leiterkarte 3 zwischen zwei Schirmungslagen 15 angeordnet.
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Zum Schutz gegen aggressive Messmedien kann die Leiterkarte 3, insbesondere die Schirmungslagen 15 im benetzbaren Bereich mit einer (nicht gezeigten) Kunststoffschutzschicht überzogen sein.
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Entlang des von den inneren Durchkontaktierungen 14 gebildeten inneren Umfangs der Ringspulen 2 sind eine Vielzahl von parallel zu den Durchkontaktierungen 13, 14 verlaufende innen metallisierte Bohrungen 19 entlang eines im wesentlichen geschlossenen Rings um die durchgehende Öffnung 5 angeordnet. Die Bohrungen 19 sind mit ähnlichen Durchmessern wie die Durchkontaktierungen 13, 14 und ebenfalls mit metallisierten Innenwänden ausgebildet. Die Bohrungen 19 verbinden die zu einer Ringspule 2 jeweils unmittelbar benachbarten Schirmungslagen 15 miteinander, so dass sie als Durchkontaktierungen für die beiden Schirmungslagen 15 wirken.
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Entlang des von den äußeren Durchkontaktierungen 13 gebildeten äußeren Umfangs der Ringspulen 2 sind weitere parallel zu den Durchkontaktierungen 13, 14 verlaufende metallisierte Bohrungen 17, 18 angeordnet. Die Bohrungen 17 und 18 sind in zwei konzentrischen Ringen um die Ringspulen 2 angeordnet, deren gemeinsame zentrale Achse die Rotationssymmetrieachse ZA der Ringspulen 2 ist. Dabei sind die Bohrungen 18 gegenüber den Bohrungen 17 versetzt angeordnet, wie in 2 zu sehen. In der in 1 gezeigten Schnittdarstellung wären die Bohrungen 18 daher eigentlich nicht zu sehen. Der besseren Anschaulichkeit halber sind sie jedoch mit gestrichelten Umrissen angedeutet.
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Die Bohrungen 18 sind an ihrem einen Ende jeweils mit den äußeren Schirmungslagen 15, die auf der Decklage der Leiterkarte 3 oder unterhalb der Basislage der Leiterkarte 3 angeordnet sind, leitfähig verbunden, während sie an ihrem entgegengesetzten Ende gegenüber der zweiten Schirmungslage 15 durch eine isolierende Leiterkartenebene getrennt sind.
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Die Bohrungen 17 sind an ihrem einen Ende jeweils mit den Schirmungslagen 15, die zwischen der Zwischenlage 21 und den Ebenen, in denen die Leiterabschnitte 11 angeordnet sind, leitfähig verbunden, während sie an ihrem entgegengesetzten Ende gegenüber der zweiten Schirmungslage 15 durch eine isolierende Leiterkartenebene getrennt sind. Die Bohrungen 17 und 18 stellen somit im Gegensatz zu den Bohrungen 19 keinen elektrischen Kontakt zwischen den Schirmungslagen 15 her.
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Die Bohrungen 17 und 18 bilden somit zwar keine Durchkontaktierungen zwischen zwei Leiterkartenebenen im engeren Sinne, sie sind jedoch ansonsten ganz analog zu den Durchkontaktierungen 11, 14 oder 19 ausgestaltet und können auf die gleiche Art und Weise gefertigt werden. Aus der Leiterkartenfertigung sind derartige Bohrungen als so genannte Sackloch-Vias bekannt.
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Die Bohrungen 17 und 18 verlaufen dabei parallel zu den Durchkontaktierungen 13 und 14 der Ringspulenwindungen und erstrecken sich senkrecht zur Stapelrichtung über die gleichen Lagen der Leiterkarte 3 wie diese. Auf diese Weise ergibt sich ein Überlapp der durch die Bohrungen 17 bewirkten Schirmung mit der durch die Bohrungen 18 bewirkten Schirmung. Diese Ausgestaltung der Schirmung entlang des äußeren Umfangs der Ringspulen 2 ist in ihrer Wirkung nahezu optimal, d. h. vergleichbar mit der Schirmwirkung der zwischen den Schirmlagen 15 durchgehenden Bohrungen 19, und vermeidet gleichzeitig die Ausbildung eines um die einzelnen Ringspulen 2 verlaufenden Kurzschlusspfades.
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Im hier gezeigten Beispiel sind die inneren Bohrungen 19 als Durchkontaktierungen zwischen den Schirmungslagen 15 ausgestaltet, während die äußeren Bohrungen 17, 18 jeweils nur mit einer Schirmungslage 15 leitfähig verbunden sind. Alternativ wäre es aber auch möglich, die inneren Bohrungen jeweils nur mit einer Schirmungslage leitfähig zu verbinden und die äußeren Bohrungen als Durchkontaktierungen zwischen den Schirmungslagen auszugestalten.
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2 zeigt eine Aufsicht auf einen Ausschnitt der Ebene der Leiterkarte 3, die in 1 unterhalb der gestrichelten Linie A angeordnet ist. Der Ausschnitt umfasst einen 90°-Sektor einer der beiden Ringspulen 2 mit den die Ringspulen 2 umgebenden innen metallisierten Bohrungen 17, 18, 19, die zur elektrischen Schirmung dienen. In der gezeigten Leiterkartenebene befinden sich die ersten Leiterbahnen 9, die über äußere und innere Durchkontaktierungen 13 und 14 mit (in 2 nicht zu sehenden) zweiten Leiterbahnen in einer unterhalb der in 2 gezeigten Leiterkartenebene angeordneten zweiten Leiterkartenebene verbunden sind. Unterhalb der gezeigten Leiterkartenebene befindet sich außerdem der Ringkern 7 der Ringspule 2, der von den durch die gezeigten und nicht gezeigten Leiterbahnen und Durchkontaktierungen 13, 14 gebildeten Windungen umgeben ist.
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Zwischen der durchgehenden Öffnung 5 und dem inneren Umfang der Ringspule 2, der durch die inneren Durchkontaktierungen 14 gebildet wird, sind die innen metallisierten Bohrungen 19 zur elektrischen Schirmung angeordnet, die eine oberhalb der in 2 gezeigten Ebene angeordnete erste Schirmungsebene 15 und eine unterhalb der in 2 gezeigten Ebene angeordnete zweite Schirmungsebene 15 miteinander leitfähig verbinden (vgl. 1). Die Bohrungen 19 sind in zwei konzentrischen Ringen um die Rotationssymmetrieachse ZA angeordnet, wobei die Bohrungen mindestens um etwas weniger als ihren Halbmesser gegeneinander versetzt sind, um eine Überlappung in radialer Richtung zu erzeugen, so dass die durch die Bohrungen 19 bewirkte Schirmung sich im wesentlichen lückenfrei über den gesamten inneren Umfang der Ringspule 2 erstreckt. In der Schnittdarstellung der 1 ist jeweils nur eine Bohrung 19 eines dieser Ringe gezeigt.
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Entlang des von den äußeren Durchkontaktierungen 13 gebildeten äußeren Umfangs der Ringspule 2 sind die metallisierten Bohrungen 17, 18 angeordnet. Wie bereits anhand von 1 beschrieben, sind die Bohrungen 18 mit einer oberhalb der gezeigten Ebene der Ringspule 2 benachbarten Schirmungslage 15 leitfähig verbunden, während die Bohrungen 17 mit einer unterhalb der gezeigten Ebene der Ringspule 2 benachbarten Schirmungslage 15 verbunden sind. An ihrem jeweils anderen Ende sind die Bohrungen 17 und 18 durch eine nicht elektrisch leitende Ebene der Leiterkarte von der jeweils anderen Schirmungslage 15 isoliert.
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Die Bohrungen 17 und 18 sind in konzentrischen Ringen mit unterschiedlichem Durchmesser um die Rotationssymmetrieachse ZA angeordnet. Wie die Bohrungen 19 sind die Bohrungen 17 und 18 mindestens um etwas weniger als ihren Halbmesser gegeneinander versetzt angeordnet, so dass die von den Bohrungen 17, 18 gewährleistete Schirmung sich im wesentlichen lückenfrei über den gesamten äußeren Umfang der Ringspule 2 erstreckt.
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Wie einleitend ausgeführt, kommt es auf die exakte Gestalt der Ringe, in denen die Bohrungen 17, 18 und 19 angeordnet sind, nicht an. Diese kann z. B. kreisförmig, elliptisch, polygonal oder von unregelmäßiger Form sein, solange die Bohrungen 17, 18, 19 jeweils einen im Wesentlichen geschlossenen Pfad bilden.
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Neben dem in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen sind auch andere Ausführungsbeispiele der Erfindung denkbar. Beispielsweise können die beiden Ringspulen des Leitfähigkeitssensors statt koaxial axial hintereinander auch koaxial koplanar mit einer gemeinsamen zentralen Achse oder koplanar nebeneinander mit parallelen zentralen Achsen angeordnet sein. Im Fall koplanar angeordneter Spulen sind nur zwei durchgehende elektrische Schirmungslagen erforderlich, die bezüglich der Stapelrichtung der Leiterkartenebenen oberhalb und unterhalb der Ebenen angeordnet sind, in denen sich die Ringspulenwindungen und gegebenenfalls die Ringspulenkerne befinden. Die Anordnung der Bohrungen zur Schirmung der Ringspulen entlang ihres inneren bzw. äußeren Umfangs ist in diesen Ausführungsbeispielen analog zum in 1 und 2 gezeigten Beispiel.
