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Die
Erfindung betrifft einen induktiven Leitfähigkeitssensor
zum Erfassen der elektrischen Leitfähigkeit eines flüssigen
Mediums, umfassend eine erste Ringspule, welche eine erste mit dem
Medium beaufschlagbare durchgehende Öffnung umschließt, zum
Induzieren eines Stroms in dem Medium, und eine zweite Ringspule,
welche eine zweite mit dem Medium beaufschlagbare durchgehende Öffnung umschließt,
zum Erfassen eines durch den im Medium induzierten Strom erzeugten
Magnetfelds.
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Derartige
induktive Leitfähigkeitssensoren funktionieren nach Art
eines Doppeltransformators, wobei die erste Ringspule als Erregerspule
und die zweite Ringspule als Empfängerspule dient. Um die Leitfähigkeit
zu messen, wird diese Ringspulenanordnung, die eine Leitfähigkeitsmesszelle
bildet, soweit in das Medium eingeführt, dass sich ein
Strompfad um die Erregerspule und die Empfängerspule herum
ausbilden kann. Wenn die Erregerspule mit einem Wechselspannungssignal
beaufschlagt wird, erzeugt sie ein Magnetfeld, das in dem Strompfad
einen Strom induziert, dessen Größe von der elektrischen
Leitfähigkeit des Mediums abhängig ist. Dieser Strom,
der ebenfalls ein Wechselstrom ist, wird induktiv mit der Empfängerspule
gemessen. Daher ist der von der Empfängerspule aus Ausgabesignal
gelieferte Wechselstrom bzw. eine entsprechende von der Empfängerspule
gelieferte Wechselspannung eine Funktion der elektrischen Leitfähigkeit
des zu untersuchenden Mediums.
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Zur
Beaufschlagung der Erregerspule mit einem solchen Wechselspannungssignal
umfasst ein induktiver Leitfähigkeitssensor eine mit der
Erregerspulespule elektrisch verbundene Sendeeinrichtung zum Speisen
der Spule mit einer Wechselspannung und eine mit der Empfängerspule
elektrisch verbundene Empfangseinrichtung zur Weiterleitung des Ausgabesignals
der Empfängerspule, also des Messsignals, an die Messelektronik
des Leitfähigkeitssensors, die das Messsignal gegebenenfalls
digitalisiert und mittels eines Mikrocontrollers aus dem Messsignal
den Leitfähigkeitsmesswert ermittelt. Das Messsignal und/oder
der Leitfähigkeitsmesswert kann dann an eine übergeordnete
Einheit weitergegeben und/oder über eine Anzeigeeinheit
ausgegeben werden.
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Induktive
Leitfähigkeitssensoren weisen einen typischen Messbereich
von etwa 20 μS/cm bis 2 S/cm auf. Der Messbereich bei geringen
Leitfähigkeiten ist dadurch beschränkt, dass die
Signale der Empfängerspule sehr gering sind und vom Restkopplungssignal
(Ausgabesignal der Empfängerspule in Abwesenheit eines
Mediums) überlagert werden. Das Restkopplungssignal setzt
sich insbesondere zusammen aus einer kapazitiven Kopplung der Zuleitungen
und Ringspulen und einer parasitären induktiven Kopplung
der Ringspulen.
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Die
parasitäre induktive Kopplung der Ringspulen ergibt sich
aufgrund eines Störfelds, welches senkrecht zu der Hauptkomponente
des Magnetfelds der einzelnen Ringspulen ausgerichtet ist, die entlang
eines innerhalb der Ringspule verlaufenden, ringförmigen
geschlossenen Pfades verläuft.
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Aus
dem Stand der Technik ist es bekannt, das Störfeld mit
Hilfe von hochpermeablen magnetischen Werkstoffen abzuschirmen.
Beispielsweise kann die Ringspule in einer Aufnahme aus nachgeglühtem
hochpermeablem Material, z. B. Mumetall, eingekapselt werden. Diese
Art der Schirmung hat jedoch Nachteile. Die hohe Permeabilität
des Mumetalls verringert sich bei Kaltverformung, so dass das Mumetall
nach Bearbeitung aufwändig schlussgeglüht werden
muss, um die hohe Permeabilität wieder herzustellen. Das
Beziehen solcher vorgefertigter Schirmungen für die Herstellung
von geschirmten Ringspulen, zum Beispiel zur Verwendung in der Fertigung
von Leitfähigkeitssensoren, ist entsprechend kostspielig.
Bei dieser Art der Fertigung ist außerdem darauf zu achten,
dass eine weitere Verformung der vorgefertigten Schirmung wieder
zur Verringerung der Permeabilität führt.
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In
US 3,806,798 ist ein induktiver
Leitfähigkeitssensor mit zwei Ringspulen zur Messung der Leitfähigkeit
eines Fluids beschrieben, wobei die Ringspulen jeweils einen ferromagnetischen
Ringkern aufweisen. Zur Bildung jeder Ringspule ist ein elektrischer
Leiter in einer ersten Lage unter Bildung einer ersten Spulenwicklung,
die sich aus einer Vielzahl von Einzel-Windungen zusammensetzt,
und die sich zwischen einem Anfangs- und einem Endpunkt, die beide
auf dem Ringkern liegen, erstreckt, um den Ringkern gewunden. Zwischen
dem Endpunkt- und dem Anfangspunkt ist derselbe elektrische Leiter weiterhin
in einer zweiten Lage unter Bildung einer zweiten Spulenwicklung
um den Ringkern gewunden, wobei sich die zweite Spulenwicklung aus
der gleichen Zahl von Einzel-Windungen mit dem gleichen Windungssinn
zusammensetzt wie die erste Spulenwicklung, wobei jedoch ihr Windungsfortschritt
in entgegen gesetzter Richtung verläuft wie der Windungsfortschritt
der ersten Spulenwicklung. Auf diese Weise soll bei Stromfluss durch
den elektrischen Leiter das von der ersten Spulenwicklung erzeugte
Störfeld durch das entsprechende Störfeld der
zweiten Spulenwicklung im Wesentlichen kompensiert werden.
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Um
eine möglichst vollständige gegenseitige Kompensation
der Störfelder der beiden Spulenwicklungen zu erzielen,
kommt es bei der Ringspulenanordnung der
US 3,806,789 darauf an, dass die einzelnen
Windungen die gleiche Steigung besitzen und möglichst exakt
symmetrisch zueinander orientiert sind, so dass an jeder Stelle
der Windung zwei entgegen gesetzte Magnetfeldkomponenten im Wesentlichen
gleicher Stärke auftreten. Die Fertigung einer derartigen
Spulenwicklung mit ausreichender Genauigkeit ist jedoch extrem aufwändig
und nur mit hohem Aufwand umzusetzen.
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In
US 4,740,755 ist angegeben,
dass eine koplanare und achsparallele Spulenanordnung zweier Ringspulen
in einem Leitfähigkeitssensor, die Restkopplung verringern
soll. Damit geht jedoch entsprechend Flexibilität bei der
Anordnung der Ringspulen und der konstruktiven Ausgestaltung des
Leitfähigkeitssensors verloren. Weiterhin ist aufgrund
der Bauform die Zellkonstante einer derartigen Spulenanordnung um
ein Vielfaches höher als bei einer Ringspulenanordnung,
bei der die Ringspulen koaxial hintereinander angeordnet sind, da
die Zellkonstante proportional zur Länge des Strompfads
ist. Eine derartige Erhöhung der Zellkonstante führt
zu einer wesentlichen Reduzierung des Dynamikbereichs des Sensors.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen induktiven
Leitfähigkeitssensor bereitzustellen, der die Nachteile
des Standes der Technik überwindet. Insbesondere soll ein
Leitfähigkeitssensor angegeben werden, der bei verringerter
parasitärer induktiver Kopplung eine akzeptable Zellkonstante
aufweist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch einen induktiven Leitfähigkeitssensor
zum Erfassen der elektrischen Leitfähigkeit eines flüssigen
Mediums, umfassend
eine erste Ringspule, welche eine erste
mit dem Medium beaufschlagbare durchgehende Öffnung umschließt,
zum Induzieren eines Stroms in dem Medium,
eine zweite Ringspule,
welche eine zweite mit dem Medium beaufschlagbare durchgehende Öffnung umschließt,
zum Erfassen eines durch den im Medium induzierten Strom erzeugten
Magnetfelds,
wobei die erste Ringspule gegenüber der
zweiten Ringspule geneigt angeordnet ist.
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Die
Neigung der Ringspulen gegeneinander führt dazu, dass die
Störfelder der Ringspulen nur wenig überlappen,
was zu einer verringerten induktiven Kopplung der Spulen führt.
Gleichzeitig ist, wie weiter unten ausführlicher beschrieben
wird, die Zellkonstante einer solchen Anordnung deutlich geringer als
bei einer koplanaren achsparallelen Ringspulenanordnung. Die geneigte
Anordnung der Spulen stellt also einen Kompromiss dar zwischen einem
Leitfähigkeitssensor mit koaxial hintereinander angeordneten
Ringspulen, der den Vorteil einer niedrigen Zellkonstante aufweist,
wobei die Störfelder der Ringspulen jedoch maxmial überlappen,
und einer koplanar achsparallelen Ringspulenanordnung, bei der die parasitäre
induktive Kopplung der Ringspulen aufgrund minimaler Überlappung
der Störfelder sehr gering ist, die aber andererseits eine
hohe Zellkonstante aufweist.
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Der
Begriff „Ringspule” bezeichnet hier und im Folgenden
eine Spule mit einem in sich geschlossenen magnetischen Pfad. Die
Spule kann einen magnetischen oder magnetisierbaren Kern aufweisen, oder
als kernlose Spule ausgestaltet sein. Der magnetische Pfad muss
in sich geschlossen oder zumindest durch Luftspalte überbrückt
verlaufen. 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 zylindersymmetrischen
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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Ist
also eine erste Ringspule gegenüber einer zweiten Ringspule
geneigt angeordnet, bedeutet dies, dass sich ihre zentralen Achsen – im
Falle von zylindersymmetrischen Spulen handelt es sich dabei um
Rotationssymmetrieachsen – schneiden, d. h. einen Winkel
von mehr als 0° und weniger als 180° einschließen.
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Unter
dem von den zentralen Achsen eingeschlossenen Winkel wird hier und
im Folgenden der Winkel zwischen einer ersten Halbgeraden, welche ausgehend
vom Schnittpunkt der zentralen Achsen der ersten und zweiten Ringspule
entlang der zentralen Achse der ersten Ringspule durch die erste Ringspule
verläuft, und einer zweiten Halbgeraden, welche ausgehend
vom Schnittpunkt der zentralen Achsen der ersten und zweiten Ringspule
entlang der zentralen Achse der zweiten Ringspule durch die zweite
Ringspule verläuft, verstanden.
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In
einer derzeit bevorzugten Ausführungsform schließen
die zentralen Achsen der Ringspulen einen Winkel von mehr als 0° und
weniger als 100° ein. Besonders bevorzugt ist dabei ein
Winkel von 90°.
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In
einer Ausgestaltung sind die Spulen in einem gemeinsamen Gehäuse
derart angeordnet, dass die von den Ringspulen umschlossenen zentralen Öffnungen
der Ringspulen durch mindestens eine Bohrung im Gehäuse
miteinander verbunden sind.
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In
einer besonders vorteilhaften Weiterbildung sind die Öffnungen
durch eine einzige Zylinderbohrung im Gehäuse miteinander
verbunden. Dies ist zum einen fertigungstechnisch besonders einfach, zum
anderen kann eine durchgehende Zylinderbohrung besonders gut vom
Messmedium durchströmt werden, so dass keine Turbulenzen
oder Luftblasen innerhalb der Bohrung oder innerhalb der von den Ringspulen
umschlossenen durchgehenden Öffnung die Messung stören.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Gehäuse zusätzliche
Bohrungen auf, durch die Leiter zur elektrischen Kontaktierung der
Ringspulen geführt sind.
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In
einer Ausgestaltung besteht das Gehäuse aus Stahl, insbesondere
aus Stahl mit einer Permeabilitätszahl von mehr als 500,
insbesondere von mehr als 1500. Somit wirkt das Gehäuse
als elektrische und magnetische Abschirmung der Ringspulen, wodurch
die Einkopplung unerwünschter elektrischer und/oder magnetischer
Felder weiter reduziert wird. Wenn das Gehäuse als elektrische
Schirmung genutzt wird, liegt es vorteilhafterweise auf Masse.
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In
einer Ausgestaltung, die insbesondere für den Fall, dass
eine zusätzliche magnetische Schirmung der Ringspulen erforderlich
ist, vorteilhaft ist, ist mindestens eine der Ringspulen jeweils
in einer im Gehäuse gefassten Aufnahme aus einem Material mit
hoher Permeabilitätszahl, insbesondere von mehr als 5000,
angeordnet. Gleichermaßen kann eine zusätzliche
elektrische Schirmung vorgesehen sein.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist mindestens eine der Ringspulen
in eine mehrlagige Leiterkarte integriert, wobei die Windungen der
Ringspule durch eine Vielzahl von ersten Leiterabschnitten, die in
einer ersten Ebene der Leiterkarte verlaufen, eine Vielzahl zweiter
Leiterabschnitte, die in einer zweiten Ebene der Leiterkarte verlaufen,
und einer Vielzahl von Durchkontaktierungen, welche die ersten Leiterabschnitte
mit den zweiten Leiterabschnitten verbinden, gebildet sind.
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Eine
mehrlagige Leiterkarte umfasst mehrere schichtweise in einer Stapelrichtung übereinander gestapelte
Ebenen oder Lagen, in denen Leiterbahnen oder Leiterabschnitte oder
sonstige Bauteile angeordnet sein können.
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Solche
in eine Leiterkarte integrierte Ringspulen können mit herkömmlichen
Techniken der Leiterkartenfertigung hergestellt werden, z. B. in
der sogenannten PCB (printed circuit board)-Technik, wie z. B. in O.
Dezuari, S. E. Gilbert, E. Belloy, M. A. M. Gijs, „A new
hybrid technology for planar microtransformer fabrication",
Sensors and Actuators A 71, 1998, S. 198-207, beschrieben.
Diese Art der Fertigung ist zum einen einfach automatisierbar. Zum
anderen erlaubt die Herstellung einer Ringspule mit einer PCB-Technik
eine höhere Präzision bei der Herstellung der
einzelnen Windungen der Spulenwicklung als die bei der Spulenwicklung
von herkömmlichen Spulen angewendeten Verfahren. Indem
die Spulenwicklung mit höherer Präzision hergestellt
werden kann, können auch die Windungen einheitlicher ausgeführt
werden, was zu homogeneren und damit besser berechenbaren Streufeldern
der Ringspulen führt, die leichter kompensiert werden können
als das inhomogenere Streufeld einer herkömmlichen Ringspule.
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Die
Erfindung wird nun anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Längsschnitt-Darstellung einer Ringspulenanordung
in einem Leitfähigkeitssensor mit einer gegenüber
der Empfängerspule geneigt angeordneten Senderspule;
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2 eine
schematische Längsschnitt-Darstellung zweier zueinander
geneigt angeordneter Ringspulen eines Leitfähigkeitssensors
in einem Gehäuse nach einer ersten Ausgestaltung;
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3 eine
schematische Längsschnitt-Darstellung zweier zueinander
geneigt angeordneter Ringspulen eines Leitfähigkeitssensors
in einem Gehäuse nach einer zweiten Ausgestaltung;
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4 ein
Diagramm experimentell ermittelter Stromsignale einer Empfängerspule
als Funktion des Widerstands einer die Empfängerspule und
eine Erregerspule durchsetzenden Leiterschleife bei verschiedenen
Ringspulenanordnungen;
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5 ein
Diagramm mit für verschiedene Ringspulenanordnungen berechneten
Verläufen eines normierten Leitfähigkeitssensor-Ausgangssignals
als Funktion einer normierten Leitfähigkeit eines flüssigen
Mediums.
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In 1 ist
schematisch eine erfindungsgemäße Ringspulenanordnung 1 für
einen induktiven Leitfähigkeitssensor mit den entsprechenden
Störfeldern dargestellt. Die im Längsschnitt stark
vereinfacht als Rechteck dargestellte Erregerspule 3 ist
als Ringspule mit einer nicht dargestellten Spulenwicklung ausgestaltet,
die eine mit dem Messmedium beaufschlagbare durchgehende Öffnung 4 umschließt. Die
Erregerspule 3 weist eine zentrale Achse Z3 auf. Ist die
Erregerspule 3 beispielsweise zylindersymmetrisch ausgestaltet,
bildet die zentrale Achse Z3 eine Rotationssymmetrieachse. Die zugehörige
Empfängerspule 5 ist ebenfalls eine im Längsschnitt
als Rechteck dargestellte Ringspule mit einer nicht dargestellten
Spulenwicklung, welche eine durchgehende Öffnung 6 umschließt,
und weist eine zentrale Achse Z5 auf. Im Falle, dass die Empfängerspule 5 zylindersymmetrisch
ausgestaltet ist, bildet die zentrale Achse Z5 eine Rotationssymmetrieachse
der Empfängerspule 5.
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In 1 sind
weiterhin das bei Stromfluss von der Erregerspule 3 erzeugte
magnetische Störfeld 7 sowie das entsprechend
bei Stromfluss von der Empfängerspule 5 erzeugte
magnetische Störfeld 9 zu sehen. Die Störfelder 7 und 9 bewirken
bei wesentlicher Überlappung die eingangs beschriebene parasitäre
induktive Kopplung der Erregerspule 3 mit der Empfängerspule 5.
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Die
Empfängerspule 5 ist gegenüber der Erregerspule 3 geneigt
angeordnet. Die zentralen Achsen Z3 und Z5 schneiden sich infolgedessen
im Schnittpunkt S. Der Winkel zwischen einer ersten Halbgerade H1,
welche ausgehend vom Schnittpunkt S entlang der zentralen Achse
Z3 durch die Erregerspule 3 hindurch verläuft,
und einer zweiten Halbgerade H2, welche ausgehend vom Schnittpunkt
S entlang der zentralen Achse Z5 durch die Empfängerspule 5 hindurch
verläuft, entspricht dem von den zentralen Achsen Z3 und
Z5 eingeschlossenen Winkel α. Im Beispiel der 1 beträgt
dieser Winkel α = 90°.
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Dies
führt, wie in 1 zu sehen, zu einer verhältnismäßig
geringen Überlappung der Störfelder 7 und 9,
die insbesondere deutlich geringer ist, als dies bei einer koaxialen
Anordnung der Erregerspule 3 und der Empfängerspule 5 hintereinander
der Fall wäre. Die geringere Überlappung der Störfelder führt
zu einer verringerten parasitären induktiven Kopplung der
beiden Ringspulen.
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In 2 ist
ein Beispiel für eine in einem Träger untergebrachte
Ringspulenanordnung 201 nach dem im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Prinzip
zur Verwendung in einem Leitfähigkeitssensor zur Messung
der Leitfähigkeit eines flüssigen Mediums gezeigt.
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Die
Erregerspule 203 und die Empfängerspule 205 sind
wiederum als Ringspulen gestaltet. In 2 sind die
Empfängerspule 205 und die Erregerspule 203 schematisch
im Längsschnitt als Rechtecke dargestellt. Sie sind in
einem Gehäuse 211 fixiert, das eine Bohrung 215 aufweist,
die von dem flüssigen Medium durchströmt werden
kann, so dass die durchgehenden Öffnungen 204 und 206 beider Ringspulen 203 und 205 gleichzeitig
mit dem Medium beaufschlagbar sind. Auf diese Weise kann sich im Sensorbetrieb
ein Strompfad 213 durch das Medium, dessen Leitfähigkeit
zu messen ist, ausbilden, der zum Teil durch die Bohrung 215 verläuft.
Die Bohrung 215 umfasst zwei zylindrische Teilabschnitte,
deren Zylindersymmetrieachsen sich jeweils entlang einer der zentralen
Achsen der Ringspulen 203 und 205 oder parallel
dazu erstrecken.
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Eine
vorteilhafte Variante für eine in einem Gehäuse
untergebrachte Ringspulenanordnung 301 nach dem im Zusammenhang
mit 1 beschriebenen Prinzip ist in 3 dargestellt.
Die Erregerspule 303 und die Empfängerspule 305 sind
in dieser Anordnung gleichartig ausgebildet wie bei den in 1 und 2 dargestellten
Ringspulenanordnungen. Ihre zentralen Achsen schließen
wiederum einen Winkel α von 90° ein. Die Ringspulen 303 und 305 sind
in einem Gehäuse 311 fixiert, wobei zur elektrischen
Kontaktierung der Ringspulen 303 und 305 zusätzliche
Bohrungen 319 im Gehäuse 311 vorgesehen
sind, durch die Leiter zur elektrischen Kontaktierung der Ringspulen 303 und 305 geführt
werden können. Das Gehäuse 311 liegt
auf Masse und dient so gleichzeitig als elektrische Schirmung für
die Ringspulen 303 und 305. Das Gehäuse 311 ist
mit einer Bohrung 315 versehen, die von einem flüssigen Medium
durchströmt werden kann, so dass die durchgehenden Öffnungen 304, 306 beider
Ringspulen 303 und 305 gleichzeitig mit dem Medium beaufschlagbar
sind und sich im Betrieb ein Strompfad 313 ausbilden kann,
der beide Ringspulen 303 und 305 durchsetzt und
sich dann um die Spulen herum schließt.
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Im
Unterschied zu dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist hier jedoch eine einzige durchgehende Zylinderbohrung 317 vorgesehen,
deren Zylindersymmetrieachse mit den zentralen Achsen der Ringspulen 303 und 305 einen
Winkel von etwa 45° einschließt. Abwandlungen
von dieser Geometrie sind denkbar, entscheidend ist dabei jedoch, dass
die Bohrung 317 als einzelne durchgehende Zylinderbohrung
ausgestaltet ist, so dass kein Abknicken der Bohrung 317 erforderlich
ist, um die Beaufschlagung beider durchgehender Öffnungen
der Ringspulen mit dem Medium zu gewährleisten. Dies erlaubt
eine gegenüber dem in 2 gezeigten
Ausführungsbeispiel eine vereinfachte Fertigung, da das Bohrwerkzeug
zur Herstellung der Bohrung 317 im Gehäuse 311 nur
einmal anzusetzen ist.
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Unter
Verwendung des im Artikel Roos et al. Modellierung induktiver
Leitfähigkeitssensoren, Proceedings Simulationen mit der
Finite Elemente Methode in Feinwerk- und Mikrotechnik, 1996,
beschriebenen Modells für induktive Leitfähigkeitssensoren mit
koaxial angeordneten Ringspulen wurde die Zellkonstante der Anordnung
gemäß 3 auf 10 bis 15 cm–1 abgeschätzt.
Dieser Wert ist zwar noch größer als die Zellkonstante
einer koaxialen Ringspulenanordnung, bei der die Ringspulen axial
hintereinander angeordnet sind (diese liegt in der Größenordnung von
5 cm–1), jedoch deutlich geringer
als typische Zellkonstanten von koplanar achsparallelen Ringspulenanordnungen
(Größenordnung von 50 cm–1).
Dabei liegt die Zellkonstante der Ringspulenanordnung gemäß 3 noch
etwas unter der Zellkonstante der Ringspulenanordnung gemäß 2.
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In 4 sind
Messsignale der Empfängerspule in drei jeweils unterschiedlichen
Ringspulenanordnungen dargestellt, wobei im Messaufbau anstelle
eines flüssigen Mediums eine Leiterschleife derart vorgesehen
ist, dass sie die Erregerspule und die Empfängerspule wie
der Strompfad in einem flüssigen Medium durchsetzt und
umgibt. Die Leiterschleife ersetzt also den Strompfad, der sich
in einem flüssigen Medium bei Beaufschlagung der Erregerspule mit
einer Wechselspannung ausbilden würde.
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Wird
die Erregerspule mit einer Wechselspannung beaufschlagt, so wird
in der Leiterschleife ein Strom induziert, dessen Stromstärke
vom Widerstand der Leiterschleife abhängig ist. Dieser
Strom wird induktiv mit der Empfängerspule gemessen. Der auf
der Ordinate des Diagramms in 4 aufgetragene
Messstrom entspricht dem von der Empfängerspule ausgegebenen
Wechselstromsignal. Auf der Abszisse ist der Leiterschleifenwiderstand
aufgetragen. Sowohl Abszisse als auch Ordinate tragen eine logarithmische
Skala. Im Experiment wurde der Leiterschleifenwiderstand variiert,
indem Widerstandselemente mit unterschiedlichem ohmschem Widerstand
zugeschaltet wurden. Die so ermittelte „Kennlinie” einer
Ringspulenanordnung gibt also die Stärke des Messsignals
als Funktion des Ohmschen Widerstands des Messmediums (der sich
reziprok zur Leitfähigkeit verhält), im vorliegenden
Fall der Leiterschleife, wieder. Diese Messung mittels Leiterschleife
erlaubt es, lediglich die Restkopplung zu ermitteln, ohne dass die
Zellkonstante der Ringspulenanordnung in das von der Empfängerspule
ausgegebene Stromsignal eingeht.
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In 4 sind
drei Kennlinien für drei jeweils unterschiedliche Ringspulenanordnungen
aufgetragen. In der ersten Ringspulenanordnung (Kreuze) sind Erreger-
und Empfängerspule axial hintereinander angeordnet. In
der zweiten Ringspulenanordnung (Quadrate) sind Erreger- und Empfänger
koplanar achsparallel angeordnet. In der dritten Ringspulenanordnung
(Kreise) sind Erreger- und Empfängerspule derart angeordnet,
dass ihre zentralen Achsen einen Winkel von 90° einschließen.
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Wie
aus dem in 4 dargestellten Diagramm hervorgeht,
zeigen die drei Anordnungen in einem Widerstandsbereich zwischen
102 und 5·104 Ω ein
vergleichbares, lineares Verhalten. Bei höheren Widerständen
und entsprechend geringeren Leitfähigkeiten macht sich
die Restkopplung der Ringspulenanordnungen bemerkbar. So ist die
gemessene Kennlinie beispielsweise für die koplanare Ringspulenanordnung
noch bis zu einem Widerstand von 106 Ω annähernd
linear, während die entsprechende Kennlinie für
die erste Ringspulenanordnung, bei der die Spulen axial hintereinander
angeordnet sind, bereits bei einem Widerstand von etwa 5·104 Ω abknickt und bei höheren
Widerstandswerten im wesentlichen parallel zur Abszisse verläuft.
Dies ist ein Indiz für den Einfluss der Restkopplung auf
das Ausgabesignal der Empfängerspule. Wie eingangs ausgeführt, wird
die Restkopplung im Wesentlichen durch die unerwünschte
parasitäre induktive Kopplung zwischen Erreger- und Empfängerspule
verursacht.
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Die
Kennlinie der erfindungsgemäßen dritten Ringspulenanordnung
weicht erst ab einem Widerstand von etwa 5·105 Ω vom
linearen Verhalten ab. Der Einfluss der Restkopplung ist hier folglich
deutlich geringer als bei der koaxialen ersten Ringspulenanordnung.
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Wie
zuvor erwähnt, spielt die Zellkonstante der jeweiligen
Ringspulenanordnung bei dem Experiment, das den im Diagramm der 4 dargestellten Kennlinien
zugrunde liegt, keine Rolle. In 5 sind simulierte
Verläufe eines normierten Leichtfähigkeitssensor-Ausgangssignals
bei den drei betrachteten Ringspulenanordnungen als Funktion einer
normierten Leitfähigkeit in einem flüssigen Medium
gezeigt. Bei den Rechnungen wurde lediglich die Zellkonstante der
jeweiligen Ringspulenanordnung berücksichtigt, während
alle anderen Proportionalitäten, beispielsweise die Proportionalität
zur Eingangsspannung, zum Quadrat der Windungszahl etc., vernachlässigt
wurden. Daher geben die in 5 gezeigten Kennlinien
nur einen relativen Vergleich der einzelnen Ringspulenanordnungen
untereinander wieder. Absolute Messwerte können dem Diagramm
dagegen nicht entnommen werden.
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In 5 sind
analog zu 4 drei Verläufe der
normierten Ausgangssignale für drei jeweils unterschiedliche
Ringspulenanordnungen in einem Leitfähigkeitssensor in
einer Flüssigkeit aufgetragen. In der ersten Ringspulenanordnung
(Kreuze) sind Erreger- und Empfängerspule axial hintereinander
angeordnet. In der zweiten Ringspulenanordnung (Quadrate) sind Erreger-
und Empfängerspule koplanar achsparallel angeordnet. In
der dritten Ringspulenanordnung (Kreise) sind Erreger- und Empfängerspule
derart angeordnet, dass ihre zentralen Achsen einen Winkel von 90° einschließen.
Auf der Ordinate ist ein normiertes Ausgangssignal des Leitfähigkeitssensors,
das einem Stromsignal der Empfängerspule entspricht, aufgetragen,
auf der Abszisse ist eine normierte Leitfähigkeit der Flüssigkeit
aufgetragen. Abszisse und Ordinate tragen jeweils eine logarithmische Skala.
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Wie
aus 5 hervorgeht, weist die dritte Ringspulenanordnung,
bei der die zentralen Achsen von Empfänger- und Erregerspule
einen Winkel von 90° einschließen, einen ebenso
großen linearen Messbereich auf, wie die zweite Ringspulenanordnung
mit koplanar achsparallelen Ringspulen, nämlich ab einheitslosen
normierten Leitfähigkeitswerten von mehr als einem Wert
von 10–4. Im Bereich zwischen den
einheitslosen normierten Leitfähigkeitswerten 5·10–6 und 10–4 zeigt
die dritte Ringspulenanordnung eine geringere Abweichung vom idealen
linearen Verhalten als die zweite Ringspulenanordnung. Für
den Einsatz in einem induktiven Leitfähigkeitssensor zur
Messung der Leitfähigkeit eines flüssigen Mediums
ist somit die dritte Ringspulenanordnung, bei der die zentralen
Achsen der Erreger- und Empfängerspule einen Winkel von
90° einschließen, besonders gut geeignet, da sie
einen Kompromiss zwischen einer Ringspulenanordnung mit koaxial hintereinander
angeordneten Ringspulen, die den Vorteil einer niedrigen Zellkonstante
aufweist, wobei die Störfelder der Ringspulen jedoch maxmial überlappen,
und einer koplanar achsparallelen Ringspulenanordnung, bei der die
parasitäre induktive Kopplung der Ringspulen aufgrund minimaler Überlappung
der Störfelder sehr gering ist, die aber andererseits eine
hohe Zellkonstante aufweist, darstellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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S. E. Gilbert, E. Belloy, M. A. M. Gijs, „A new hybrid
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- - Artikel Roos et al. Modellierung induktiver Leitfähigkeitssensoren,
Proceedings Simulationen mit der Finite Elemente Methode in Feinwerk-
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